大跨度超長(zhǎng)懸挑結(jié)構(gòu)貝雷架高空支模施工技術(shù)*

柯江華，牛 童，黃春峰，衛(wèi) 星，王麗麗

(中天建設(shè)集團(tuán)有限公司第四分公司，北京 101113)

0 引言

在大跨度、大懸挑結(jié)構(gòu)施工中，一般選用型鋼主梁及上拉下?lián)未胧┐钤O(shè)支模平臺(tái)，施工難度大、高空作業(yè)多，安全性很難保證。在路橋工程中，類似結(jié)構(gòu)施工一般采用貝雷架搭設(shè)施工平臺(tái)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸方便、架設(shè)快捷、載重大、互換性好、適應(yīng)性強(qiáng)、容易組裝等特點(diǎn)，可有效提高施工效率并降低施工成本。

但是，建筑工程與橋梁工程施工工況具有很大差別，建筑結(jié)構(gòu)荷載分布不均，局部可能存在較大集中荷載，并且建筑工程空間相對(duì)狹窄，因此設(shè)計(jì)、施工時(shí)需更加細(xì)致地分析與策劃，以保證順利實(shí)施。

1 工程概況

京津冀(固安)國(guó)際商貿(mào)城一期1～4標(biāo)段工程位于河北省廊坊市固安縣首都環(huán)線高速東灣出口北側(cè)，主體為混凝土框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積29.4萬(wàn)m2，地下1層、地上6層，總建筑高度38.4m，如圖1所示。

圖1 京津冀(固安)國(guó)際商貿(mào)城

2 工程重難點(diǎn)

本工程在建筑入口位置設(shè)計(jì)通高門廳及大懸挑屋檐，均為混凝土結(jié)構(gòu)。其中，門廳部位進(jìn)深15.4m、寬26.7m，挑檐最大懸挑長(zhǎng)度8m，頂板支模高度38.2m，門廳位置剖面如圖2所示。

圖2 門廳剖面

該位置支模高度高、結(jié)構(gòu)自重荷載大，經(jīng)測(cè)算，如采用落地腳手架進(jìn)行支模，至少需要2個(gè)月工期，不能滿足總進(jìn)度計(jì)劃要求，并占用大量勞動(dòng)力及周轉(zhuǎn)材料。另外，由于挑檐位于現(xiàn)場(chǎng)施工道路上方，搭設(shè)滿堂架體會(huì)阻斷場(chǎng)內(nèi)交通，嚴(yán)重影響材料運(yùn)輸效率。因此，需在保證安全性的前提下進(jìn)行高空支模。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 高空平臺(tái)設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目門廳寬度、屋檐懸挑長(zhǎng)度均很大，傳統(tǒng)型鋼懸挑不能滿足施工承載需求，因此借鑒路橋工程施工方法，結(jié)合鋼管格構(gòu)柱與貝雷架的方式搭設(shè)施工平臺(tái)，再在平臺(tái)上部鋪設(shè)工字鋼、搭設(shè)腳手架，運(yùn)用高空支模形式施工門廳結(jié)構(gòu)。

貝雷架為桁架結(jié)構(gòu)，由于架體桿件較多，在受力分析時(shí)，各桿件內(nèi)力計(jì)算十分復(fù)雜。支撐點(diǎn)位于豎桿下方的貝雷架總體呈梁的受力特性，因此在貝雷架的設(shè)計(jì)中，一般將貝雷架簡(jiǎn)化為1根梁，根據(jù)梁上作用的荷載，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法可計(jì)算出貝雷架在各種狀態(tài)下，每個(gè)截面的彎矩和剪力值，并比較該值與容許剪力和容許彎矩值，以核驗(yàn)結(jié)構(gòu)安全性。

目前，貝雷架設(shè)計(jì)與施工一般參照《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》)，根據(jù)《手冊(cè)》規(guī)定，貝雷架容許承載力如表1所示。

表1 貝雷架容許承載力

通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)自重、模架及施工荷載，綜合考慮結(jié)構(gòu)承載力、材料成本及施工難易程度，初步確定門廳內(nèi)設(shè)置1個(gè)3排單層貝雷架，貝雷架兩端搭設(shè)于主體結(jié)構(gòu)上，跨中設(shè)置鋼管格構(gòu)柱進(jìn)行支撐，使貝雷架形成跨度13m的2跨連續(xù)梁。懸挑屋檐主梁采用4根鋼管格構(gòu)柱進(jìn)行支設(shè)，格構(gòu)柱間距25m，屋檐部分主梁采用雙排單層貝雷架。貝雷架、格構(gòu)柱布置效果如圖3所示。

圖3 貝雷架、格構(gòu)柱布置效果

采用等效梁的方式驗(yàn)算貝雷架主梁，結(jié)合施工平臺(tái)上部荷載及貝雷架自重，計(jì)算各主梁最大彎矩、剪力，如表2所示，均滿足承載力要求。

表2 貝雷架承載力驗(yàn)算

在驗(yàn)算貝雷架承載力后，為保證上部模架搭設(shè)的穩(wěn)定性，還需驗(yàn)算貝雷架撓度。根據(jù)《手冊(cè)》規(guī)定，貝雷架等效幾何參數(shù)如表3所示。據(jù)此進(jìn)行計(jì)算，門廳中部貝雷架跨中撓度為9.82mm，挑檐中部貝雷架跨中撓度為33.06mm，挑檐兩端貝雷架跨中撓度為26.43mm，均滿足規(guī)范要求。

表3 貝雷架等效幾何參數(shù)

3.2 鋼管格構(gòu)柱設(shè)計(jì)

本工程格構(gòu)柱設(shè)置高度為34.4m，平面尺寸為3m×3m，主體采用4根φ609×16鋼管，鋼管間由剪刀撐焊接固定，剪刀撐采用[16，布置間距≤3m，頂部剪刀撐距柱頂、底部剪刀撐距基礎(chǔ)距離均≤0.5m。格構(gòu)柱頂部設(shè)置雙I45a連梁，利用U形螺栓固定于鋼管格構(gòu)柱頂部法蘭盤上。格構(gòu)柱所用鋼材材質(zhì)均為Q235b。依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行驗(yàn)算，格構(gòu)柱截面慣性矩為4 383 322.62cm4，當(dāng)高度為34.4m時(shí)，計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比為28.03，查表可知穩(wěn)定性折減系數(shù)為0.932。為安全考慮，格構(gòu)柱總承載力不高于單根鋼管格構(gòu)柱承載限值，即格構(gòu)柱可承受5 696.01kN荷載。

根據(jù)高空平臺(tái)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算，承受荷載最大的格構(gòu)柱為門廳中部格構(gòu)柱，荷載為688.64kN，因此設(shè)計(jì)格構(gòu)柱滿足施工承載力要求。

3.3 基礎(chǔ)及回頂設(shè)計(jì)

本工程格構(gòu)柱均設(shè)置于地下室頂板上，在計(jì)算格構(gòu)柱自重及上部平臺(tái)荷載后，格構(gòu)柱基礎(chǔ)所受荷載達(dá)700kN，地下室頂板不滿足承載力要求，需在頂板下部設(shè)置回頂支撐以保證結(jié)構(gòu)安全。

格構(gòu)柱基礎(chǔ)厚度為300mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，以單根鋼管格構(gòu)柱直徑609mm進(jìn)行計(jì)算，可承受沖切荷載為202.55kN，滿足抗沖切要求，基礎(chǔ)平面如圖4所示。車庫(kù)頂板受力面積按9m2(3m×3m)進(jìn)行計(jì)算，荷載為77.78kN/m2，回頂架體采用輪扣架，立桿間距為300mm×600mm，水平步距為600mm，回頂范圍每邊超出基礎(chǔ)≥1m，經(jīng)驗(yàn)算，滿足結(jié)構(gòu)承載力要求。基礎(chǔ)回頂剖面如圖5所示。

圖4 格構(gòu)柱基礎(chǔ)平面

圖5 基礎(chǔ)回頂剖面

3.4 有限元分析

在設(shè)計(jì)中，等效梁計(jì)算方法通常用作均布荷載的承載力驗(yàn)算，但懸挑梁位置均為集中荷載，特別是在門廳部位，貝雷架跨中位置存在174.3kN集中荷載，因此，貝雷架各桿件內(nèi)力可能與等效梁計(jì)算模型有所差別，并且實(shí)際撓度可能大于計(jì)算撓度。

因此，采用SAP2000軟件建立貝雷架桁架模型，對(duì)貝雷架桿件內(nèi)力、撓度進(jìn)行有限元分析。根據(jù)貝雷架廠家提供的資料，各桿件參數(shù)如表4所示。

表4 貝雷架單元桿件參數(shù)

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，懸挑屋檐中間、兩端部分貝雷架各桿件應(yīng)力比均<0.7，滿足承載力要求，計(jì)算撓度略大于等效梁法計(jì)算結(jié)果，中間部位為38.5mm、兩端部位為17.2mm，滿足施工要求。門廳部位貝雷架也可滿足承載力要求，但計(jì)算部分桿件應(yīng)力比達(dá)0.9，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。為保證施工安全，將該部位貝雷架由3排單層貝雷架調(diào)整為4排單層貝雷架，以增大安全系數(shù)。

圖6 3排貝雷架分析結(jié)果

4 施工技術(shù)

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程如下：放線定位→基礎(chǔ)回頂支撐搭設(shè)→基礎(chǔ)鋼筋綁扎→基礎(chǔ)模板支設(shè)→基礎(chǔ)澆筑→格構(gòu)柱鋼管吊裝→搭設(shè)格構(gòu)柱操作架→格構(gòu)柱剪刀撐焊接→安裝頂部連梁→貝雷架地面拼裝→分段吊裝→貝雷架拼接→鋪設(shè)工字鋼次梁→鋪設(shè)腳手板→搭設(shè)模架→混凝土結(jié)構(gòu)施工及養(yǎng)護(hù)→拆除模架→拆除工字鋼次梁→拆除貝雷架→拆除鋼管格構(gòu)柱。

4.2 回頂與基礎(chǔ)施工

通過(guò)放線，在車庫(kù)頂板上確定基礎(chǔ)范圍，并在車庫(kù)頂板下部搭設(shè)回頂支撐架體。架體采用輪扣架，立桿間距300mm×600mm，水平桿步距500mm，架體四周設(shè)置豎向連續(xù)剪刀撐。架體頂部鋪設(shè)[40，并與結(jié)構(gòu)頂緊。格構(gòu)柱基礎(chǔ)尺寸為4m×4m，在鋼管格構(gòu)柱安裝位置預(yù)埋固定法蘭，用于后期鋼管格構(gòu)柱安裝。

4.3 鋼管格構(gòu)柱安裝

鋼管格構(gòu)柱每節(jié)長(zhǎng)度為6m，單根重1.5t，現(xiàn)場(chǎng)配備1臺(tái)80t汽車式起重機(jī)進(jìn)行吊裝施工。鋼管格構(gòu)柱采用法蘭盤加高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接，每個(gè)連接點(diǎn)設(shè)置16個(gè)M24螺栓。當(dāng)1節(jié)鋼管格構(gòu)柱吊裝完畢后，在鋼管格構(gòu)柱四周搭設(shè)操作腳手架，再利用操作腳手架于鋼管格構(gòu)柱上安裝套箍、焊接剪刀撐。剪刀撐焊接完成后，繼續(xù)吊裝下節(jié)鋼管格構(gòu)柱，循環(huán)作業(yè)，直至安裝至設(shè)計(jì)高度。

4.4 搭設(shè)平臺(tái)及模架

在貝雷架安裝完畢后，于貝雷架底部拉設(shè)安全網(wǎng)，作為高空作業(yè)安全防護(hù)。再在貝雷架上鋪設(shè)[16作為平臺(tái)次梁，工字鋼間距與立桿間距相同，使模架直接支設(shè)于工字鋼上部。模架支設(shè)前，在工字鋼上鋪設(shè)腳手板，鋪設(shè)時(shí)通過(guò)測(cè)量確定立桿位置并避開(kāi)該位置。之后在確定的立桿位置安裝立桿支座，以保證立桿穩(wěn)定性。最后在立桿支座上支設(shè)立桿、搭設(shè)模架。

由于貝雷架跨度較大，跨中位置有較大下?lián)希虼顺Y(jié)構(gòu)本身起拱要求外，還需要根據(jù)計(jì)算撓度進(jìn)行額外調(diào)節(jié)，以保證結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量。

4.5 架體監(jiān)測(cè)

模架監(jiān)測(cè)按照規(guī)范要求進(jìn)行。貝雷架主梁分別在跨中及1/4，3/4跨位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)主梁撓度。格構(gòu)柱分別在柱頂設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)鋼管垂直度。另外，施工期間在地下室頂板及回頂架體上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以保證地下室頂板結(jié)構(gòu)安全。

4.6 架體拆除

在混凝土結(jié)構(gòu)施工完成，并養(yǎng)護(hù)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，開(kāi)始拆除支撐架體。模架按照先支后拆、后支先拆原則進(jìn)行拆除，模板、鋼管等材料先搬運(yùn)至主體結(jié)構(gòu)內(nèi)，再利用塔式起重機(jī)吊運(yùn)至地面。貝雷架拆除時(shí)，需根據(jù)安裝時(shí)的分節(jié)方法進(jìn)行分解，再利用汽車式起重機(jī)分節(jié)吊至地面，并于地面進(jìn)行拆除。

5 效益分析

本工程4個(gè)門廳，單個(gè)門廳的總面積約635m2，根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃，每2個(gè)門廳劃為1組同時(shí)施工。據(jù)此測(cè)算，相比傳統(tǒng)滿堂支模架，采用貝雷架、格構(gòu)柱施工方案可節(jié)約工期34d，節(jié)約成本約29萬(wàn)元。搭設(shè)滿堂腳手架需要21d，拆除需要14d，共35d。搭設(shè)貝雷架格構(gòu)柱、貝雷架、腳手架分別需要5,2,3d，拆除分別需要5,1,2d，共18d。滿堂腳手架人工費(fèi)、材料費(fèi)分別為674 116，455 061.32元，共1 129 177.32元。貝雷架的人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)分別為196 200，492 637.5，148 528元，共計(jì)837 365.5元。

另外，采用貝雷架方案進(jìn)行高空平臺(tái)施工可有效釋放地面空間，避免施工現(xiàn)場(chǎng)道路阻斷，保證順利實(shí)施。

6 結(jié)語(yǔ)

相比落地滿堂腳手架支模，高空平臺(tái)支模可提高工效、降低成本，并降低人工依賴，是高效的施工技術(shù)。同時(shí)，應(yīng)用貝雷架有效解決傳統(tǒng)型鋼主梁自重大、截面模量小、抗彎能力較弱的問(wèn)題，對(duì)超大跨結(jié)構(gòu)施工具有較好的指導(dǎo)作用。

等效梁計(jì)算方法并不能體現(xiàn)桁架桿件內(nèi)力，當(dāng)工程中存在較大集中荷載時(shí)，還需對(duì)貝雷架進(jìn)行桁架分析，以保證結(jié)構(gòu)安全。