超高層建筑核心筒固定弧形模板體系設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

李 棟，趙 翔，田新泉，雷富勻，廖群輝

(華西工程科技(深圳)股份有限公司，廣東 深圳 518034)

1 工程概況

某電視塔項(xiàng)目總建筑面積約17.5萬m2，球頂高度325.8m，塔冠頂高度369.0m，建筑塔樓為圓形核心筒結(jié)構(gòu)，采用HSFS02輕型模塊式組合鋼平臺(tái)進(jìn)行施工。該核心筒內(nèi)外墻截面隨樓層施工進(jìn)度發(fā)生6次變化，核心筒外墻直徑由19.3m縮至18.3m，周長(zhǎng)從60.6m縮至57.46m，墻體厚度由1 000mm逐步縮至400mm，核心筒截面變化情況如圖1所示。

圖1 核心筒截面變化

2 施工難點(diǎn)分析

1)核心筒結(jié)構(gòu)高達(dá)300m以上，高空墜物風(fēng)險(xiǎn)大，施工安全及防護(hù)要求高。

2)核心筒單層豎向結(jié)構(gòu)與立模面積大，施工工期緊張。

3)外框鋼結(jié)構(gòu)吊裝工作量和難度大，核心筒結(jié)構(gòu)鋼筋模板工程量大，需盡可能節(jié)省核心筒結(jié)構(gòu)塔式起重機(jī)占用時(shí)間，以吊裝鋼結(jié)構(gòu)，從而加快整體施工進(jìn)度。

4)本工程標(biāo)準(zhǔn)層高5.4m，最高層達(dá)10.8m，墻體厚400～1 000mm，增加了混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力，須選擇合理的支護(hù)體系。

5)本工程地上共47個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層，5.4m標(biāo)準(zhǔn)層豎向結(jié)構(gòu)所用混凝土約410m3，水平結(jié)構(gòu)體積約為豎向結(jié)構(gòu)的1/10，模板用量較大，核心筒模板須能夠滿足周轉(zhuǎn)次數(shù)。

6)本項(xiàng)目圓形變徑筒體結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土成型尺寸及觀感要求高。

針對(duì)上述施工難點(diǎn)，采用組合鋼平臺(tái)進(jìn)行施工，模架系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置5～6道鍍鋅壓型鋼跳板，架體與墻體間隙部位設(shè)置2道花紋鋼密封翻板，最大限度降低高處墜落風(fēng)險(xiǎn)。采用豎向結(jié)構(gòu)先行、水平結(jié)構(gòu)后做的不等高同步施工工法，將筒體施工工序進(jìn)行豎向錯(cuò)層分區(qū)，每個(gè)施工區(qū)工序單一，可有效解決施工場(chǎng)地狹窄、各工種交叉配合難的問題。核心筒內(nèi)設(shè)置頂模鋼平臺(tái)，其設(shè)計(jì)總荷載為1 600kN，允許堆碼材料>30t，有效堆載面積>90%。

3 模板施工方案

通過設(shè)計(jì)核心筒澆筑和模架爬升方案，模板共需爬升68次，常規(guī)木模板無法滿足重復(fù)使用的要求。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析深圳冠澤金融中心等項(xiàng)目的木模板使用數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目面板選用樺木膠合板，可有效保證周轉(zhuǎn)次數(shù)和表面成型質(zhì)量。

該核心筒結(jié)構(gòu)相比常規(guī)矩形核心筒，弧形模板在縮墻時(shí)需變徑，若采用定制弧形模板，每次需進(jìn)行變徑更換，除增加模板材料成本外，隨結(jié)構(gòu)高度增加，吊裝效率下降，影響整個(gè)工期。通過數(shù)據(jù)分析，當(dāng)模板弧度不變時(shí)，采用寬1.8m的模板模塊，外圓直徑從19.3m縮至18.3m時(shí)，偏差值為2.3mm，采用固定弧度模板的方式，半徑變化情況如圖2所示，可滿足規(guī)范中的模板允許偏差要求，同時(shí)當(dāng)模板模塊尺寸變小時(shí)，偏差還可進(jìn)一步降低。因此，采用固定弧度模板的方式，組裝成近似圓。外墻直徑由19.3m縮至18.3m，周長(zhǎng)從60.6m縮至57.46m。在確定弧形模板技術(shù)路線后，布置模板平面時(shí)，采用從上往下的設(shè)計(jì)方式，即按最小周長(zhǎng)進(jìn)行布置，無需改變模板定位，模板間隙采用小塊補(bǔ)縫模板填充即可。

圖2 固定弧度模板時(shí)的半徑變化

4 模板體系設(shè)計(jì)

4.1 模板配置數(shù)量及高度

根據(jù)核心筒結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，核心筒外側(cè)設(shè)置16組HP-50爬模模塊，平臺(tái)設(shè)計(jì)尺寸為4.61m×2.1m×18m，筒內(nèi)井道設(shè)置4組SPS10異形提模模塊，平臺(tái)設(shè)計(jì)高度為12m，鋼平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)規(guī)劃如圖3所示。2，7號(hào)井道設(shè)置2榀HD-400頂模模塊。本工程標(biāo)準(zhǔn)層層高為5.4m，從1層開始另有多種非標(biāo)層高，最大樓層高度為10.8m，但建筑結(jié)構(gòu)無變化，僅存在層高變化。綜合考慮，模板高度按照標(biāo)準(zhǔn)層配置5.6m，HP-50爬模最大爬升高度為6.0m，HD-400頂模大平臺(tái)最大頂升高度為6.0m，因此非標(biāo)準(zhǔn)層采用分段施工澆筑的方式。

圖3 鋼平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)規(guī)劃

4.2 模板體系設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

4.2.1模板體系設(shè)計(jì)

固定弧度模板體系如圖4所示，面板采用18mm厚樺木膠合板，采用80mm×200mm I20木工字梁作為面板背楞，木工字梁間距為250mm。主龍骨為鋼腰梁，由雙10號(hào)熱軋槽鋼組合而成，由于底部荷載大于頂部荷載，因此設(shè)計(jì)拉桿時(shí)采用不均衡尺寸，鋼腰梁由模板自下而上按照間距300，800，900，900，1 000，1 200mm進(jìn)行排布，橫向?qū)菟ㄩg距≤1 200mm。

圖4 固定弧度模板體系

4.2.2模板體系強(qiáng)度驗(yàn)算

本工程單次澆筑高度為5.4m，大模板設(shè)計(jì)高度為5.6m。澆筑時(shí)混凝土側(cè)壓力F按照GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算：

(1)

F2=γcH

(2)

式中：γc為混凝土重力密度，取24kN/m3；t0為新澆混凝土初凝時(shí)間，為200/(T+15)=8h，T為混凝土溫度，取10℃(溫度低于10℃時(shí)啟用保溫措施)；β為坍落度影響修正系數(shù)，取1；V為澆筑速度，按最大泵車流量80m3/h計(jì)算，則V=80/87.6≈1m/h；H為混凝土側(cè)壓力計(jì)算處至新澆混凝土頂面的總高度，為5.4m。

計(jì)算得F1=53.76kN/m2，F(xiàn)2=129.6kN/m2，F(xiàn)=min(F1，F(xiàn)2)=53.76kN/m2。

(3)

式中：h為有效壓頭高度，求得為2.24m。

按照規(guī)范，傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的水平荷載為2kN/m2，側(cè)壓力分項(xiàng)系數(shù)取1.2，傾倒混凝土對(duì)木模板產(chǎn)生的荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4。木工字梁背楞間距為250mm，對(duì)模板進(jìn)行強(qiáng)度及變形有限元分析，驗(yàn)算撓度時(shí)，荷載設(shè)計(jì)值為64.51kN/m2。

經(jīng)驗(yàn)算，模板在澆筑時(shí)最大應(yīng)力為8.4N/mm2，小于模板容許最大應(yīng)力值15N/mm2，滿足設(shè)計(jì)要求。最大變形為0.5mm<1mm(L/250)，滿足設(shè)計(jì)要求。

混凝土側(cè)壓力對(duì)木工字梁產(chǎn)生的荷載q1=13.44kN/m；傾倒混凝土對(duì)木工字梁產(chǎn)生的荷載q2=0.5kN/m。木工字梁受到的荷載組合q=1.4q1+1.2q2。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，對(duì)施工時(shí)木工字梁受到的應(yīng)力及變形進(jìn)行有限元分析。木工字梁受到的最大應(yīng)力為2.7N/mm2，小于規(guī)范要求的11N/mm2，符合設(shè)計(jì)要求；最大變形發(fā)生在第2,3道鋼腰梁間，變形量為1.5mm，小于規(guī)范允許值1.8mm(L/500)，符合設(shè)計(jì)要求。

模板體系設(shè)計(jì)中，對(duì)拉螺栓間距≤1 200mm，選取最大對(duì)拉間距計(jì)算水平腰梁強(qiáng)度和撓度。水平腰梁最大變形量為1.3mm，最大應(yīng)力為119.3N/mm2<2 154N/mm2，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 對(duì)拉螺栓設(shè)計(jì)

對(duì)拉系統(tǒng)采用φ17拉桿，設(shè)計(jì)允許拉力為140kN，對(duì)拉螺栓最大間距為1.2m×1.2m。可拆對(duì)拉螺栓安裝如圖5所示，墻體內(nèi)的絲桿套φ25塑料套管，拆模后可抽出對(duì)拉螺栓再次使用，對(duì)拉螺栓孔用堵頭進(jìn)行封堵。

圖5 可拆對(duì)拉螺栓安裝

4.4 陰陽角模板設(shè)計(jì)

筒內(nèi)陰角位置單獨(dú)設(shè)置1塊角部模板，方便退模，銳角模板采用轉(zhuǎn)角鋼模，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)角鋼模

4.5 補(bǔ)模設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)100mm×5 600mm的補(bǔ)模板，用于內(nèi)側(cè)墻體變截面后進(jìn)行補(bǔ)模。

項(xiàng)目2～4層層高5.6m，39，40層層高5.7m。標(biāo)準(zhǔn)模板高度不滿足要求，若分2次爬升會(huì)影響施工工效，施工時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)模板上方散支散拼300mm厚木模板，非標(biāo)準(zhǔn)模板、門洞內(nèi)側(cè)模板在現(xiàn)場(chǎng)自行散支散拼。使用鋼管腳手架搭設(shè)支撐進(jìn)行固定，模板根據(jù)門洞口尺寸進(jìn)行裁切、安裝、固定及加固背楞、對(duì)拉螺栓。

5 施工流程

5.1 模板排布

首先根據(jù)核心筒結(jié)構(gòu)圖紙排布模板，局部墻體模板設(shè)計(jì)排布如圖7所示。

圖7 局部墻體模板設(shè)計(jì)排布

5.2 模板拼裝

在拼裝場(chǎng)地上，按加工圖裁剪木工字梁接長(zhǎng)及模板，在平整地面上安放模板，并按照間距要求擺放鋼腰梁。擺放木工字梁后，用法蘭夾固定木工字梁與鋼腰梁，采用M4×70沉頭自攻木螺釘將膠合板與木工字梁鉚合在一起，螺釘間距300mm，組裝完成的單元模板，按加工圖紙做好編號(hào)后存放備用。

5.3 模板安裝

當(dāng)模架系統(tǒng)平臺(tái)安裝完成后，按照模板平面布置圖將模板吊裝至對(duì)應(yīng)的架體位置，底部水平腰梁支撐到退模單元豎腰梁的高度調(diào)節(jié)絲桿上，然后用鉤頭螺栓連接到退模單元上。再安裝可調(diào)支撐，調(diào)節(jié)模板高度，直至所有模板單元安裝完成。

5.4 澆筑及爬升

模板安裝完成并達(dá)到澆筑要求后澆筑混凝土，檢測(cè)實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到脫模要求后后移模板，將穿墻螺栓和附墻裝置設(shè)置在預(yù)埋孔處，啟動(dòng)液壓頂升裝置，在推動(dòng)作用下，模板隨平臺(tái)一起頂升到特定樓層，以進(jìn)入后續(xù)施工環(huán)節(jié)。當(dāng)施工至核心筒變徑樓層時(shí)，依次拆除大模板調(diào)節(jié)塊，達(dá)到變徑尺寸后進(jìn)行合模。

6 結(jié)語

1)結(jié)合模板設(shè)計(jì)和施工特點(diǎn)，采用固定弧形模板從上往下的設(shè)計(jì)方式，解決圓形核心筒變徑施工困難的問題。應(yīng)用變徑核心筒外墻模板調(diào)節(jié)塊，增減調(diào)節(jié)塊即可實(shí)現(xiàn)變徑后的尺寸，很大程度上提高弧形模板周轉(zhuǎn)率。

2)因減少弧形模板大面積調(diào)整操作，避免大量吊裝作業(yè)，提升施工效率，進(jìn)而保證工期進(jìn)度。