大跨度混凝土懸空結構支撐體系研究與應用*

劉澤天，張 新，隋鵬偉

(1.山東建筑大學土木工程學院，山東 濟南 250101； 2.山東特安加固工程有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

隨著社會經濟的發展，人們對建筑的美觀、個性化等特點的需求越來越多，像連廊、屋頂花架梁、造型板、挑檐等混凝土懸空結構被應用在高層、超高層等建筑上。為解決高層懸空結構施工難題，國內外學者開展了很多研究。厲天數等[1]采用型鋼梁支撐平臺完成了高94.25m、跨度13.50m的鋼筋混凝土連廊懸空結構施工，通過ANSYS有限元軟件進行數值模擬，結果表明，型鋼梁與斜拉桿節點處應力值遠小于鋼材的屈服強度；鄧穗等[2]以9層以上多棟樓相連懸空結構為研究背景，通過對比桁架支撐體系與型鋼平臺支撐體系，采用型鋼平臺支撐體系進行主體結構施工；張鵬等[3]采用吊模法完成了淮北礦業辦公中心主樓工程中高空跨度30m的型鋼混凝土連廊施工，運用ANSYS有限元軟件模擬施工過程并分析了支撐體系的應力及變形，通過鋼索連接H型鋼與豎向桁架，減小施工過程中產生的位移；張建華等[4]采用高空吊拉型鋼支撐平臺解決了江蘇昆山昱東總部大樓項目高106.05m、懸挑6.75m的混凝土梁施工問題，運用SAP2000軟件對型鋼平臺進行應力、應變分析；何純濤等[5]采用吊橋式支撐平臺解決了懸空高度為42m的梁、板結構施工問題，運用PKPM軟件對平臺的承載力及變形進行驗算；楊向陽等[6]用MIDAS軟件對由2道水平、2道豎直、1道斜向工字鋼焊接連接組成的三角支撐平臺進行了受力與變形分析，并應用在新疆天盈超高層商業、商務辦公綜合樓工程中49.8m和96.6m懸空挑檐施工中；李清超等[7]以存在懸挑結構的南京金融城148.95m 4號樓工程為背景，采用鋼桁架高空懸挑支撐平臺進行施工，采用SAP2000有限元軟件進行數值模擬，對比模擬數據與現場型鋼平臺端部位移實測數據；景劍等[8]結合江蘇昆山昱東大樓106.05m高空大懸挑混凝工程案例，總結高空超大懸挑混凝土結構模板支撐體系的設計、施工要點；許嚴峰等[9]采用懸挑斜拉型鋼平臺解決懸挑長8.7m的高空觀景陽臺施工問題，用SAP2000軟件建模計算，將現場實測數據與計算結果作對比；國外學者對其有少量研究，Mohamed等[10]運用SAP2000軟件研究了由上、下弦桿和有無斜撐構件組成的懸臂鋼桁架支撐體系的尺寸改變對構件力學性能的影響，結果表明，上、下弦桿的軸力與懸臂長度和桁架高度成正比，應力只與弦桿的軸力有關；Christoph等[11]采用鋼支架支承屋面邊緣各點，解決了德國柏林車站中轉站混凝土懸挑屋面工程施工問題。

經研究發現，國內外對懸空或懸挑結構的施工開發往往采用多種鋼結構支撐平臺，由于鋼平臺設計復雜，多采用各種有限元軟件進行理論分析。本文總結了懸空結構支撐體系類型及其特點，以菏澤恒大御峰房地產開發項目高82.5m處屋頂懸空混凝土花架梁施工為研究背景，對其模板支撐體系的支撐平臺進行研究。采用ANSYS有限元軟件對支撐平臺的力學性能進行數值模擬，并對模擬結果和現場實測結果進行對比分析，研究成果為類似懸空混凝土結構支撐平臺的設計和施工提供參考與借鑒。

1 懸空結構支撐體系及其特點

根據懸空結構的結構類型及所查閱文獻資料中的支撐形式，將懸空結構支撐體系分為落地式、懸挑式、簡支式3種。

1.1 落地式支撐體系

落地式支撐體系是從底部持力層向上搭設支撐架直至懸空結構，施工過程中產生的荷載經架體傳遞至持力層，由持力層全部承受。距持力層一般≤50m 的懸空結構可采用落地式支撐體系。

1.2 懸挑式支撐體系

懸挑式支撐體系可分為斜拉式和下撐式2種。懸挑式支撐體系如圖1所示。

圖1 懸挑式支撐體系

在懸空結構下層結構樓板邊緣，以一定間距布置型鋼作為懸挑梁，懸挑梁通過預埋在樓板內的U形螺栓和結構主體連接。

斜拉式懸挑支撐體系是在懸挑梁上設置1道或多道斜拉桿，斜拉桿上部與主體結構連接。斜拉桿可采用鋼絲繩、鋼筋或型鋼等。懸空結構施工荷載由懸挑梁所在樓層和斜拉桿錨固樓層混凝土結構共同承受。

下撐式懸挑支撐體系是在懸挑梁下部設置型鋼下撐桿，懸空結構施工荷載由懸挑梁和下撐桿傳遞至結構主體。

1.3 簡支式支撐體系

簡支式支撐體系分為純簡支支撐體系和組合簡支式支撐體系。組合簡支式支撐體系如圖2所示。

圖2 組合簡支式支撐體系

純簡支支撐體系采用型鋼作為支撐平臺，支撐平臺固定在兩側混凝土結構上，懸空結構施工荷載由平臺兩側混凝土結構共同承受。

若懸空結構跨度或荷載較大時，可在型鋼梁上部或下部設置斜拉桿或下撐桿形成組合簡支式懸空支撐體系，上部施工荷載由2層或多層混凝土結構共同承受。懸空結構支撐體系特點對比如表1所示。

表1 懸空結構支撐體系特點對比

2 工程概況

菏澤恒大御峰房地產開發項目建筑高度為82.50m，屋頂⑨～交～○M 軸區域內，設計了懸空花架梁，其中南北向9道花架梁截面尺寸為200mm× 400mm，長6.45m；東西向1道花架梁，截面尺寸為200mm×500mm，長10m。其平面布置如圖3a所示，剖面如圖3b所示。

圖3 花架梁

3 支撐架方案設計

3.1 方案設計及比選

花架梁距離地面較高，落地式支撐體系無法采用。根據總結的各支撐體系特點，從材料用量、施工造價、施工工期等方面考慮，提出以下3種方案。

1)方案1 采用純簡支式支撐體系。采用貝雷架作為承力簡支梁。在25層⑨軸和軸的剪力墻及電梯井壁上設置鋼牛腿，在牛腿上安裝貝雷架作為承力平臺，屋面花架梁的模板支撐架在貝雷架上搭設(見圖4)。本方案貝雷架安裝便捷，可采用塔式起重機吊裝。拆除時由于花架梁已施工完畢，塔式起重機無法使用，需進行人工拆除，存在大量高處作業，施工風險較高。貝雷架將上部荷載傳遞給兩側豎向結構，需對結構和牛腿進行核算，必要時需對結構進行加固處理。

圖4 方案1設計

2)方案2 采用簡支下撐式支撐體系。在25層將工字鋼東西搭在⑨軸和軸兩側的樓板或電梯井壁(電梯井壁需開洞)內，在工字鋼下部設置下撐桿件，下撐采用槽鋼或工字鋼等，在工字鋼上搭設支撐架(見圖5)。本方案上部荷載由2層結構共同承受，對結構影響小。安裝時下撐桿與工字鋼在地面組裝成型，由塔式起重機吊裝就位。拆除時由于塔式起重機不可用，需采取人工拆除，尤其是下撐桿的高空拆除，施工風險較高。

圖5 方案2設計

3)方案3 采用簡支斜拉式支撐體系。在24層采用工字鋼作為簡支梁，在工字鋼上采用角鋼作為斜拉桿，角鋼與25層剪力墻相連，上部荷載由24，25層結構共同承受。在工字鋼上搭設支撐架(見圖6)，支撐體系安裝與拆除都較簡單。

圖6 方案3設計

對以上3種方案，從施工造價、施工工期、安拆效率3方面進行優劣對比分析，如表2所示。經過方案比選，決定采用方案3。

表2 方案優劣對比分析

3.2 簡支斜拉式懸空支撐體系方案設計

簡支斜拉式懸空支撐體系包含懸空支撐平臺和支撐架2部分，具體設計如下。

1)主梁設計 選用I32b作為支撐平臺的主梁，布置在24層上(結構標高72.780m處)，共4道，自南向北布置間距為500，2 950，500mm，第1根主梁與軸間距為700mm。

2)分配梁設計 選用I28b作為分配梁，布置在主梁上，與主梁進行焊接，共9道，自西向東布置間距均為1 100mm，兩側距⑨軸和軸的距離分別為700，500mm。

3)斜拉桿設計 斜拉桿選用∟200×125×12，從施工荷載考慮，為增強主梁的承載力和減小其撓曲變形，在每道主梁上左、右兩端各布置1道水平夾角約55°的斜拉桿，斜拉桿距⑨軸和軸均為1 800mm。 角鋼一端通過鋼板與主梁進行焊接，另一端與預埋在25層(結構標高75.780m處)剪力墻上的預埋件連接(見圖7)。

圖7 預埋件構造

4)支撐架設計 支撐架采用扣件式鋼管架體，立桿橫向間距為550mm、縱向間距為900mm、步距為1 500mm。在梁底、架體外圍布置豎向剪刀撐，水平夾角為45°。在掃天桿、掃地桿和架體中間各布置1道水平剪刀撐。支撐平臺平面布置如圖8a所示，布置立面如圖8b所示。

圖8 支撐平臺

4 有限元分析

采用ANSYS有限元軟件對支撐平臺受力進行理論模擬分析。

4.1 建模基本假定

1)主梁兩端與分配梁一端和混凝土結構固定連接，9根分配梁一端、4根主梁兩端采用剛接約束。

2)斜拉桿上端與混凝土結構中預埋鋼板進行焊接，采用剛接約束。斜拉桿下端與主梁進行焊接，接觸面采用耦合處理。

3)懸空支撐平臺主梁與分配梁相互垂直進行焊接，接觸面采用耦合處理。

4)對支撐平臺上部所有荷載進行統計，進行荷載組合后按均布荷載施加到分配梁上。

4.2 荷載取值

根據JGJ 162—2016《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》、GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》等相關規定取值，荷載取值如表3所示。

表3 荷載取值

現澆混凝土重度取24.0kN/m3。1m3鋼筋混凝土的鋼筋自重標準值：梁取1.5kN，永久荷載標準值合計為13.91kN/m2，可變荷載標準值合計為2.5kN/m2。

4.3 荷載組合

荷載組合按下式進行計算：

(1)

式中：γG為永久荷載的分項系數，取1.3；γQ為可變荷載的分項系數，取1.5；γ0為結構重要性系數，取1.1。則支架部分的自重及施工活載組合值為：S=1.1×(1.3×13.91+1.5×2.5)=24.01kN/m2。

計算簡圖如圖9所示，其中S表示上部結構及支撐架施工荷載(包含施工恒載和活載)。

圖9 計算簡圖(單位：m)

4.4 有限元分析

采用ANSYS軟件solid brick 8node 185實體單元建立懸空支撐平臺的有限元三維實體模型，模型建完按0.05m對其進行映射劃分，將上部混凝土花架梁、模板、支撐架自重及施工活載等換算成面荷載，考慮γ0×(1.3×永久荷載+1.5×可變荷載)荷載工況，對懸空支撐平臺進行位移、應力及應變分析。分析結果如圖10所示。

圖10 有限元分析結果

由圖10所示有限元分析結果可得：

1)懸空支撐平臺分配梁豎向變形最大值位于主梁中部的懸挑端，最大位移值為-4.971mm；最大應力出現在主梁中部與混凝土結構固定的錨固端，應力值為37.6MPa。

2)外側2根主梁跨中豎向變形最大，豎向位移值為4.418mm；主梁與斜拉桿連接處應力最大，其中最外側主梁與斜拉桿連接處應力最大值為49.3MPa；內側主梁與斜拉桿連接處應力較小，應力值為12.9MPa。

3)外側主梁斜拉桿應力較大，斜拉桿與主梁連接處應力值為62.2MPa，與主體結構連接處應力值為30.3MPa；內側主梁斜拉桿應力較小，斜拉桿與主梁連接處應力值為10.1MPa，與主體結構連接處應力值為5.9MPa。

5 支撐體系現場安裝要點

5.1 主梁安裝

1)在地面將4根12m長I32b主梁通過塔式起重機逐根吊裝至安裝位置。

2)安裝在電梯井壁上的2根主梁插入提前預留在電梯井壁的槽洞內，為了防止主梁滑動，主梁與槽洞間的空隙用木楔塞緊實。在電梯井壁開設槽洞時，必須嚴格按設計圖紙位置進行，避免破壞剪力墻主筋、損傷主體結構。

3)安裝在混凝土樓板上的主梁通過預留在樓板上的預埋件，分別將主梁兩端錨固在樓板上。

4)在進行預埋件安裝時，應避免預埋件的錨固筋與樓板主筋位置發生沖突，若相碰應適當調整錨筋位置。將預埋件與結構主筋進行焊接固定，防止在混凝土澆筑過程中預埋件發生位移，導致型鋼梁安裝產生偏差。

5.2 分配梁安裝

1)在地面通過塔式起重機將I28b分配梁逐根吊裝至安裝位置。

2)將分配梁搭設在主梁上，分配梁的一端通過預埋件錨固在樓板上，另一端懸挑。再將分配梁與主梁進行焊接。在進行焊接時，工人應系安全帶。分配梁安裝完成后，滿鋪腳手板。

5.3 斜拉桿安裝

1)斜拉桿長度根據設計圖紙確定，由于安裝時存在誤差，斜拉桿兩端切割時需考慮可調長度。

2)當主梁與分配梁全部安裝完成后，未搭設支撐架前進行斜拉桿安裝。

3)斜拉桿的一端通過鋼板焊接在型鋼主梁上，另一端與在剪力墻內預埋鋼板進行焊接。

5.4 支撐架搭設

1)搭設支撐架前，先由施工人員對支撐架進行準確放線定位。

2)承載立桿的型鋼梁上焊接短鋼筋頭，防止后期在搭設水平桿及澆筑混凝土時立桿發生側移。

3)準備工作完成后，開始向上搭設支撐架。每搭設1步腳手架后，按設計要求校正步距、橫向間距、縱向間距及立桿垂直度。掃地桿距立桿持力層≤200mm， 立桿伸出掃天桿至可調頂托長度≤500mm，架體頂部2步距范圍內縱、橫向水平桿采用750mm步距加密設置。

4)梁底沿梁跨度方向通長布置豎向剪刀撐，架體外圍設置豎向剪刀撐。設置3道水平剪刀撐，分別設置在掃天桿、掃地桿和豎向剪刀撐交點水平面處。

5)搭設支撐架過程中，若水平桿與斜拉桿發生位置沖突，在該水平桿上、下500mm范圍內各增加1根水平桿將其替換，防止澆筑混凝土時對斜拉桿產生擠壓，從而導致架體失穩。

6 現場實測

6.1 測點選取

為監測懸空支撐平臺的撓度變形，現場采用水準儀對在上部懸空花架梁混凝土澆筑完成后，對支撐平臺進行多次監測，直至沉降基本不發生變化時，完成對支撐平臺的監測。本監測選取2個測區，第1測區在內側2根型鋼主梁上(D1～D10)，第2測區在型鋼分配梁跨中位置(D11～D15)，對其進行豎向撓度變形監測。測點布置如圖11所示。

圖11 測點布置

6.2 實測結果及分析

現場采用水準儀對懸空支撐平臺的豎向位移進行監測，在測點布置位置處粘貼反光片，方便水準儀監測豎向位移。對現場監測的多組沉降數據進行匯總處理，得到懸空支撐平臺最終沉降數據(見表4)。

表4 現場實測沉降數據及模擬值

1)測區1實測結果分析 如圖12所示，在測區1中，由D1～D5和D6～D10 10個測點的懸空支撐平臺搭設完成與上層結構混凝土澆筑完成后的現場監測值對比可看出，2根型鋼主梁均是跨中(即D3和D8測點)沉降變形最大，由中間向兩側的沉降變形越來越小。

圖12 測區1施工前后實測標高對比曲線

2)測區2實測結果分析 如圖13所示，在測區2中，由D11～D15 5個測點的懸空支撐平臺搭設完成與上層結構混凝土澆筑完成后的監測值對比可看出，每根型鋼分配梁跨中沉降由兩側向中間逐漸增大，沉降最大出現在中間分配梁跨中(即D13測點所在的分配梁)。

圖13 測區2施工前后實測標高對比曲線

7 有限元模擬與實測數據對比分析

1)測區1模擬沉降值與實測沉降值對比分析 2根主梁相同位置實測沉降與模擬沉降對比如圖14所示，模擬和實測沉降曲線均是呈中間沉降大，向兩側逐漸減小。對比D1～D5各測點與D6～D10各測點模擬、實測沉降曲線，可看出在相同位置處D1～D5各測點的沉降均比D6～D11各測點的沉降小，由于與D1～D5各測點所在型鋼主梁相比，D6～D10各測點所在型鋼主梁上分配梁的近端所受約束較強，上部荷載對其沉降變形影響較小。D1～D5各測點實測沉降由D3點最大沉降值為3mm逐漸減小至1mm。D6～D11各測點實測沉降由最大沉降值為1mm逐漸減小至0。

圖14 測區1實測與模擬沉降對比曲線

2)測區2模擬沉降值與實測沉降值對比分析 如圖15所示，對于支撐平臺模擬沉降變形曲線，在D11～D15測點方向上，懸空支撐平臺各型鋼分配梁跨中沉降整體由中間向兩側逐漸減小。D13測點所處型鋼分配梁的跨中沉降值為3mm，小于模擬沉降值3.83mm。

圖15 測區2實測與模擬沉降對比曲線

由2個測區的實測沉降與模擬沉降對比可看出，實測沉降與有限元模擬沉降整體趨勢吻合度較高，但實測沉降值小于模擬沉降值，主要原因在于：在荷載統計時，考慮有荷載分項系數及結構重要性系數，有限元模擬荷載大于施工實際荷載，故有限元模擬沉降值大于實測沉降值。對于內凹懸空混凝土結構支撐平臺，將分配梁一端與主體結構固定可有效減小平臺的撓曲變形。

8 支撐體系拆除要點

8.1 模板支撐架拆除

1)待屋面混凝土花架梁全部施工完成及混凝土達到設計強度后，進行懸空結構支撐體系模板拆除。

2)支撐架必須是自上而下拆除，先下放支撐架頂部可調頂托，然后拆除屋面混凝土花架梁模板，最后拆除支撐架體，鋼管通過平面人工搬運至卸料平臺。

3)存放在卸料平臺的材料通過塔式起重機吊至地面。

8.2 斜拉桿拆除

1)在切割斜拉桿前，先用倒鏈吊住斜拉桿，再對焊接在結構主體上的斜拉桿一端進行切割。

2)對焊接在型鋼主梁上的斜拉桿的另一端進行切割。

3)切割完成后，將斜拉桿通過倒鏈拉至樓面內，通過塔式起重機吊至地面。

8.3 分配梁拆除

1)將倒鏈掛在已澆筑完成的混凝土花架梁上，以花架梁為節點進行型鋼梁拆除。

2)將分配梁一端與結構主體錨固的預埋件切斷，用倒鏈將分配梁拉至樓面內，再通過倒鏈拖至建筑物另一側，通過塔式起重機將其吊至地面。

8.4 主梁拆除

1)主梁拆除前先用倒鏈垂直吊住主梁。

2)對于插在電梯井壁上主梁的拆除，先將兩端電梯井壁槽洞內的木楔拆除，將主梁一端挪出，傾斜主梁至另一端能從電梯井壁抽出，通過掛在花架梁上的倒鏈將主梁拉至樓面內，再通過倒鏈拖至建筑物另一側，通過塔式起重機將其吊至地面。

3)對于錨固在樓板上主梁的拆除，將與主梁錨固的預埋件切斷，通過掛在花架梁上的倒鏈將主梁拉至樓面內，通過塔式起重機將其吊至地面。

9 結語

本文通過對懸空結構支撐體系各種類型的研究分析，并結合工程實踐得到如下結論。

1)高空大跨內凹懸空混凝土結構支撐平臺宜選用簡支式鋼結構支撐平臺，平臺主梁上設置斜拉桿或下撐桿可有效減小平臺的撓度變形。

2)內凹懸空混凝土結構支撐平臺分配梁一端與混凝土結構固定，部分施工荷載傳遞給混凝土結構，可有效減小平臺整體撓度變形。

3)斜拉桿兩端采用焊接方式固定連接，斜拉桿本身存在一定的彎矩，導致斜拉桿應力不均勻，呈現應力值上端大、下端小趨勢。