連續懸挑混凝土結構支撐平臺力學性能研究與應用*

張 新，韓 碩，周廣昊，劉天宇

(1.山東建筑大學土木工程學院, 山東，濟南 250101； 2.中建八局第一建設有限公司，山東，濟南 250100)

0 引言

隨著我國建筑使用功能的不斷提升，建筑的個性化和多樣化不斷得到設計師的關注。近年來高層建筑中的懸挑結構越來越多，其中懸挑混凝土結構施工中的支撐體系設計和研究至關重要。國內外對不同懸挑結構的施工技術研究較多，如張顯剛等[1]以北京光彩中心懸挑跨度8.7m、最大懸挑長度7m的大跨度圓弧形懸挑梁板結構為研究背景，采用角鋼斜拉桿固定懸挑型鋼梁形成支撐平臺，對施工難點和關鍵施工工藝進行總結；彭輝等[2]依托某水文氣象環境綜合監測臺懸挑長度4.7m的混凝土板工程，采用鋼桁架支撐平臺，結合ABAQUS有限元軟件分析支撐平臺對主體結構的影響并總結支撐平臺安裝工藝；舒文超等[3]基于昆山市某酒店式公寓工程，該公寓沿建筑頂層四周設置懸挑長度3.0m的混凝土構架，采用懸挑槽鋼，結合槽鋼斜撐作為支撐平臺并對支撐體系各構件進行理論計算；胡長明等[4]基于某工程懸挑長度3m的斜屋面懸挑板，采用斜拉式懸挑型鋼支撐平臺，結合ANSYS有限元軟件建立支撐體系模型并與實測數據進行對比，結果表明，架體穩定性驗算需考慮節點半剛性連接和廣義初始缺陷；房連生等[5]從剪力墻外墻懸挑板模板搭設入手，研究定制型鋼三角架與可調節豎向支撐相結合的模板支撐平臺，對其原理和施工工藝進行總結；彭林海等[6]依托珠海橫琴某大廈工程，工程結構為“樹形”并形成多層次的高空懸挑混凝土結構，結構最大懸挑長度為13.2m，采用建筑內部斜撐支護和鋼桁架施工支撐平臺，結合性能設計及多道防線驗算研究結構在地震作用下的損傷情況；鄧穗等[7]基于廣州白云區商住建筑跨度14.1m的多層懸空結構，采用型鋼梁平臺模板支撐體系，并對其設計和施工工藝進行研究總結；Mohamed等[8]采用工字型鋼構成三角鋼桁架作為懸挑梁板模板的支撐平臺，結合SAP2000有限元軟件對4種尺寸的鋼桁架平臺進行分析對比，并將受力變形結果代入驗證理論公式；Christoph等[9]結合德國柏林車站中轉站對稱細長懸挑混凝土屋頂工程，屋頂采用高強輕質混凝土與不銹鋼，并采用鋼支架支承屋面外邊緣各點。

綜上所述，針對高空非承重混凝土造型結構梁板，常采用懸挑型鋼或定制型鋼架作為支撐平臺；針對異形和大跨度懸挑結構，常采用懸挑型鋼、鋼桁架作為支撐平臺。雖然目前國內外對懸挑結構支撐平臺的研究較多，但主要集中于懸挑長度和跨度較大的梁板結構及異形懸挑結構對應的施工支撐平臺，對連續懸挑混凝土結構支撐平臺的選型和受力變形特點研究則較少。本文以濟南歷下總部商務中心C塔5層連續懸挑混凝土結構支撐平臺為研究背景，經過方案比選提出最佳支撐平臺設計方案，利用ANSYS有限元軟件對支撐平臺主應力與豎向位移進行模擬分析，并在現場對支撐平臺豎向位移進行實測，后期將模擬分析結果與現場實測數據進行對比。研究成果將為連續懸挑混凝土結構支撐平臺力學性能研究與實踐提供借鑒。

1 混凝土懸挑結構支撐體系

1.1 混凝土懸挑結構支撐體系分類

根據混凝土懸挑結構的施工條件與結構特點，可將其支撐體系分為落地式支撐體系、純懸挑支撐體系及組合式懸挑支撐體系。

1.1.1落地式支撐體系

混凝土懸挑結構距下部持力層高度不高(≤50m)時，可采用落地式支撐體系。從持力層開始向上搭設支撐架，支撐架根據懸挑結構高度及自重可采取扣件式、碗扣式、盤扣式等鋼管支撐架或型鋼支撐架。懸挑結構荷載通過支撐架傳遞給持力層(見圖1)。

圖1 落地式支撐體系

1.1.2純懸挑支撐體系

混凝土懸挑結構距下部持力層較高、懸挑尺寸不大且荷載較小時，可采用純懸挑支撐體系。在懸挑結構下1層樓板上以一定間距布置懸挑梁，懸挑梁可選用槽鋼、工字鋼、H型鋼或貝雷架等，懸挑梁伸入樓板的部分通過預埋的U形螺栓與樓板連接固定。懸挑梁向上搭設支撐架，懸挑結構荷載通過支撐架傳遞給懸挑梁，再經懸挑梁傳遞給結構樓板(見圖2)。

圖2 純懸挑支撐體系

1.1.3組合式懸挑支撐體系

混凝土懸挑結構距下部持力層較高、懸挑尺寸較大或荷載較大時，可采用組合式懸挑支撐體系。組合式懸挑支撐體系中的懸挑梁與純懸挑支撐體系中的懸挑梁相同。根據傳力方式不同，組合式懸挑支撐體系分為斜拉式懸挑支撐體系和下撐式懸挑支撐體系。

1)斜拉式懸挑支撐體系 根據懸挑結構長度，在懸挑梁上設置1道或多道斜拉桿，斜拉桿采用鋼筋、鋼管、角鋼或槽鋼(不能采用鋼絲繩)，斜拉桿上部與上層結構邊梁連接。懸挑結構荷載向下傳遞到懸挑梁，再由斜拉桿和結構樓板共同承受(見圖3)。

圖3 斜拉式支撐體系

2)下撐式懸挑支撐體系 懸挑梁下部設置斜撐桿，斜撐桿采用鋼管、角鋼、槽鋼、工字鋼或H型鋼等，斜撐桿下部與下層結構邊梁連接。懸挑結構荷載向下傳遞到懸挑梁后，由斜撐桿和樓板結構共同承受。為保證斜撐桿的穩定性，一般需設置縱向和斜向連接桿件(見圖4)。

圖4 下撐式支撐體系

1.2 混凝土懸挑結構支撐體系對比

針對落地式、純懸挑及組合式3類支撐體系，從設計、安拆難度、施工周期、施工成本等方面對比各自優缺點(見表1)。

表1 支撐類型比選

2 工程概況

濟南歷下總部商務中心C塔建筑高度73.6m，在建筑西立面標高48.800m，第11～15層處存在懸挑長度4.2m的連續懸挑混凝土結構，結構層高3.9m。懸挑區域主梁尺寸為400mm×800mm，次梁尺寸為300mm×800mm與200mm×800mm，懸挑板厚250mm(見圖5)。

圖5 懸挑結構剖面

3 混凝土懸挑結構支撐體系設計

3.1 混凝土懸挑結構施工方案比選

3.1.1懸挑支撐體系方案比選

1)方案1 采取下撐式懸挑支撐體系方案，懸挑梁通過預埋的U形螺栓與主體結構10層梁板固定；懸挑梁下部設置1道斜撐桿與9層邊梁焊接固定，支撐平臺施工完成后在其上方搭設扣件式支撐架至11層懸挑結構。該方案荷載經懸挑梁與下撐結構傳遞，由9層和10層結構梁板共同承受，但需在斜撐桿處設置斜向與豎向連系桿，構件連接工作較多。

2)方案2 采取斜拉式懸挑支撐體系方案，懸挑梁通過預埋的U形螺栓與主體結構9層梁板固定。斜拉桿件設置在距懸挑梁端部一定距離處并與10層邊梁固定，后期支撐架的搭設與方案1相同。該方案荷載經懸挑梁與斜拉桿傳遞，由9層和10層結構梁板共同承受且平臺構造簡單，施工難度較低。

經方案比選，方案2充分利用斜拉桿件的抗拉性能并在高空作業環境下簡化設計安拆工序與傳力路徑，減少材料用量，因此采取方案2更加切實可行。

3.1.2混凝土結構施工方案比選

1)方案1 懸挑結構與主體結構同時施工。兩部分結構同步施工，無須設置施工縫。由于施工周期較短，作為傳力路徑的斜拉桿件與主體結構連接處混凝土無法保證達到設計強度。

2)方案2 懸挑結構滯后于主體結構施工。先施工主體結構，待其達到設計強度后再施工懸挑結構。懸挑結構施工周期拉長，不僅為斜拉桿錨固處混凝土達到設計強度留出時間，先期施工的懸挑結構還可分擔上部懸挑結構施工荷載。該方案需在懸挑結構和主體結構間留置施工縫。

經方案比選，方案2在施工安全方面有較大優勢，懸挑結構荷載由懸挑結構自身與支撐平臺共同承受，充分利用懸挑結構自身承載力，有效降低荷載對支撐平臺的不利影響，因此采取方案2更加安全可行，2種方案對比如圖6所示。

圖6 混凝土結構施工方案對比

3.2 混凝土懸挑結構支撐體系設計

1)懸挑鋼平臺由主懸挑梁和分配梁組成，分配梁布置在懸挑梁頂面并與其垂直，通過直徑18mm U形螺栓固定。懸挑梁和分配梁間距與上方支撐架體相應方向保持一致。懸挑梁布置在9層結構上，懸挑長度5.3m，伸入樓板長度6.7m，采用U形螺栓與主體結構梁板固定。

2)距懸挑梁端部1.3m處設置1道雙角鋼作為斜拉桿，斜拉桿下部與主梁連接、上部與10層混凝土結構邊梁連接，均采取銷軸連接，銷軸直徑50mm。

3)模板支撐架在分配梁上部搭設，架體最大搭設高度7.8m，水平間距同主懸挑型鋼梁保持一致為1m，步距1.5m，懸挑鋼平臺三維效果及剖面如圖7，8所示，構件型號如表2所示。

圖7 懸挑鋼平臺三維效果

圖8 支撐體系剖面

表2 構件尺寸

4 混凝土懸挑結構支撐平臺數值分析

4.1 研究方法

采用ANSYS模擬分析，并且結合工程實際截取部分懸挑鋼平臺和懸挑結構作為計算模型。在荷載布置方式上，將懸挑結構1層荷載布置在懸挑鋼平臺上，懸挑結構2層荷載布置在1層懸挑結構上，上部結構荷載布置方式與此相同。通過連續加載分析懸挑結構第11～15層施工過程中，懸挑鋼平臺的豎向位移和應力變化趨勢與規律。

4.2 荷載選取

根據GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》、JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術規范》、JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》等相關規定取值。樓板厚度按250mm計算，梁高度按800mm計算(見表3)。

表3 荷載取值

由《混凝土結構工程施工規范》中第4.3.6條、GB 50068—2018《建筑結構可靠性設計統一標準》中第8.2.8條、第8.2.9條確定模板及支架的荷載設計值。

(1)

由式(1)計算可得以下結果。

搭設高度7.8m荷載效應值：

SG梁=0.85+1.27+19.2+1.2=22.52kN/m2

SG板=0.85+1.27+6+0.275=8.395kN/m2

SQ=1+2+2=5kN/m2

搭設高度7.8m荷載設計值：

q梁=1.1×(1.3×22.52+1.5×5)=40.45kN/m2

q板=1.1×(1.3×8.395+1.5×5)=20.25kN/m2

搭設高度3.9m荷載效應值：

SG梁=0.85+0.64+19.2+1.2=21.89kN/m2

SG板=0.85+0.64+6+0.275=7.765kN/m2

SQ=1+2+2=5kN/m2

搭設高度3.9m荷載設計值：

q梁=1.1×(1.3×21.89+1.5×5)=39.55kN/m2

q板=1.1×(1.3×7.765+1.5×5)=19.35kN/m2

計算簡圖如圖9所示，其中q1表示第1層懸挑板的施工荷載(包含施工恒荷載和活荷載)，其余符號含義與其相同。

圖9 受力計算簡圖

4.3 模型建立

本模型屬于組合式懸挑支撐體系斜拉式懸挑鋼平臺，選取部分跨度4m的懸挑鋼平臺及其對應上部連續懸挑混凝土結構，采用ANSYS軟件模擬懸挑結構施工到不同層時懸挑鋼平臺的豎向位移和應力變化情況。分析過程中懸挑鋼平臺和支撐架體采用solid185單元，懸挑混凝土結構采用solid65單元，網格采用映射劃分，模型單元各方向尺寸均為0.05m。網格劃分模型如圖10所示，懸挑結構逐層施工，數值分析過程中采用連續加載法模擬懸挑鋼平臺的豎向位移和應力變化。

圖10 實體模型與網格劃分

4.4 結果分析

具體工況劃分為：工況1～5對應第11～15層懸挑結構底板混凝土澆筑，工況6對應第15層懸挑結構頂板混凝土澆筑。

4.4.1豎向位移結果分析

采用有限元軟件ANSYS對6種工況豎向位移進行模擬(見圖11)。懸挑鋼平臺最大豎向位移計算結果如表4所示。

表4 豎向位移計算結果 mm

圖11 豎向位移云圖(單位：m)

由圖11分析可知，隨著懸挑結構的層數增加，懸挑鋼平臺的最不利豎向位移也逐漸增大，最大豎向位移出現在工況6，位于平臺中間懸挑梁并距懸挑端2.64m處，位移為4.578mm，<1/400跨度，符合規范要求。

隨著懸挑結構混凝土達到設計強度，懸挑結構自身可承受豎向荷載，因此各工況下的最大豎向位移逐漸增大，但其相對位移逐漸減小，豎向位移的變化幅度逐漸降低，符合連續懸挑混凝土結構豎向位移變化規律。

4.4.2應力結果分析

采用有限元軟件ANSYS對6種工況應力進行模擬，選取工況1和工況6的第一主應力云圖(見圖12)。懸挑鋼平臺最大第一主應力計算結果如表5所示。

表5 最大第一主應力計算結果 MPa

圖12 第一主應力云圖(單位：Pa)

由第一主應力云圖分析可知，隨著懸挑結構的層數增加，懸挑鋼平臺的最大主應力值逐漸增大，最不利主應力出現在工況6為179MPa<205MPa，符合規范要求。各工況下最大主應力出現位置均為斜拉角鋼與懸挑型鋼梁接合處，其原因為豎向荷載需經斜拉角鋼傳遞至主體結構梁板共同承受，接合處出現應力集中。

其變化趨勢與豎向位移相同，隨著懸挑結構混凝土強度達到設計要求，懸挑結構自身可承受豎向荷載，因此在懸挑鋼平臺的變化規律上，各工況下主應力最大值的相對差值逐漸減小，變化幅度明顯放緩，符合連續懸挑混凝土結構力學傳遞規律。

5 現場實測

5.1 監測點布置

考慮到懸挑結構不同構件對懸挑鋼平臺的影響，在布設監測點時應同時考慮懸挑結構板下和梁下懸挑鋼平臺的豎向位移值。監測點D1，D3，D5，D7主要反映懸挑結構最外側梁下懸挑鋼平臺的豎向位移情況；監測點D2，D4，D6，D8布置在懸挑段中部，主要反映懸挑結構板下懸挑鋼平臺的豎向位移情況，具體監測點布設如圖13所示。

圖13 監測點平面布置

5.2 實測數據

本項目采用精確水準儀進行測量，其精度可達0.1mm，在每層懸挑結構混凝土達到設計強度后測得相對標高，相對標高與初始值的差值即為本層的豎向位移值，本層與下層相對標高的差值即為本層相對位移(見表6)。

表6 監測點實測值 mm

監測點D1～D8實測值如圖14所示。

由圖14分析可知：

圖14 豎向位移實測值

1)梁下測點豎向位移 在梁下D1，D3，D5，D7測點中，最大豎向位移值出現在工況6下的D5測點為3mm。

2)板下測點豎向位移 在板下D2，D4，D6，D8測點中，最大豎向位移值出現在工況6下的D6測點為4.4mm。

3)各測點豎向位移值均<1/400跨度(10mm)，符合規范要求。梁下懸挑鋼平臺豎向位移值均明顯小于板下懸挑鋼平臺的豎向位移值，其原因在于斜拉桿的設置點正位于梁下鋼平臺處，有效限制了鋼平臺變形。

4)結合豎向位移實測值的變化曲線分析，各測點的豎向位移值均隨著懸挑混凝土結構的層數增多而逐漸增大，但因懸挑結構混凝土強度逐漸達到設計要求，懸挑結構自身可承受大部分豎向荷載，所以各層間相對位移均小于或等于前一層間相對位移值，增長趨勢整體放緩，豎向位移值變化幅度逐漸減小。

6 現場實測與數值模擬數據對比分析

懸挑鋼平臺豎向位移模擬值與現場實測值對比如圖15所示。

圖15 豎向位移實測與模擬值對比

由圖15分析可知：

1)懸挑鋼平臺豎向位移模擬與實測最大值分別為4.578，4.4mm，兩者均出現在工況6且數值大小基本一致。

2)實測值通過梁下與板下對比，較大豎向位移均出現在板下區域的主型鋼懸挑段跨中位置，與模擬值最大值位置相吻合。

3)豎向位移數值分析結果均高于實測結果，其原因為數值模擬的結果是根據規范考慮荷載分項系數的情況下進行連續加載求得，導致模擬值與實測值出現一定偏差。

4)模擬值與實測值均隨著懸挑結構層數增加逐漸增大，相對位移逐漸減小或保持不變，變化趨勢整體放緩，變化幅度逐步減小，兩者豎向位移變化規律基本一致。

7 結語

連續懸挑混凝土結構的懸挑鋼平臺，因其上部懸挑結構施工方式與荷載傳遞的特殊性，導致懸挑鋼平臺的力學性能與傳統懸挑結構支撐平臺不同。本文通過分析懸挑結構支撐體系并結合實際工程對連續懸挑混凝土結構的施工方式與懸挑支撐平臺進行方案比選，后期結合所選方案采用ANSYS軟件對連續懸挑混凝土結構逐層施工工況下懸挑鋼平臺的主應力與豎向位移進行模擬分析，結合現場實測數據分析懸挑鋼平臺豎向位移的變化特點和規律。結果表明，各工況下最不利主應力與豎向位移在不超過規范限值的情況下逐漸增大且變化幅度逐漸減小，現場實測與模擬結果吻合度較高。