超長懸挑工字鋼擱置橫梁施工技術

文／孫億海、肖敏威、張晗、伍民和 中國建筑第五工程局有限公司 湖南長沙 421000

引言：

隨著國內外城市化的不斷推進，房屋建筑工程的發展的速度也越來越快，企業為展示自己的企業文化，在住宅建筑的外觀設計創新程度越來越大，通過獨特的建筑風格和立體的視覺效果，以提高企業自身的競爭力，如在屋面以上的構架層延伸出懸挑長度較大的懸挑結構。這種懸挑結構一般距離地面極高，施工難度極大，確保作業人員的人身安全是重點。為節省資金和縮短施工周期，施工單位往往采用懸挑承力支撐體系來替代以往常規使用的落地鋼管扣件式滿堂腳手架形式[1]。

1、工程概況及施工重難點

1.1 工程概況

單棟高層住宅建筑面積15979.29 m2，屋面結構高度99m，地上33 層，懸挑結構高度100.5m，為框架剪力墻結構，10#～15#棟10-13 軸交K-N 軸位置部分女兒墻上部存在懸挑長度為4.4m 的鋼筋混凝土結構（見圖1），遠大于懸挑式腳手架規范標準要求，懸挑結構存在挑檐、及兩條梁，挑檐結構復雜，懸挑結構兩側臨空，距地面100.5m，兩側均需設置防護腳手架，33 層存在一塊懸挑長度為2.9m 的懸挑板，可作為內部防護腳手架搭設平臺。

圖1 懸挑結構示意圖

1.2 施工關鍵點分析

（1）支模難度高，懸挑結構距地面100.5m，如采用普通扣件式鋼管腳手架施工，支撐體系的整體穩定性、高寬比不能滿足相關規范標準要求；

（2）懸挑結構跨度達到4.75m，跨度大。由于懸挑結構懸挑長度為4.4m，如采用懸挑式鋼管腳手架，懸挑工字鋼懸挑長度超過5m，懸挑支撐體系的整體穩定性、工字鋼的撓度不能滿足規范標準要求；

（3）工期短，根據總進度計劃，屋面以上結構施工時間最長為45 天。如采用大型操作工具平臺，安裝拆除難度大，要使用大量人力物力資源，大大延長施工時間；

（4）33 層懸挑板無結構梁，樓板設計荷載為2.5kN/m2，設計荷載值較小，由于工期緊，懸挑板混凝土強度不能在屋面以上懸挑結構施工前達到設計強度，經驗算該板不能作為支撐腳手架搭設平臺，僅能搭設防護腳手架。

2、施工體系選擇及深化設計

2.1 施工體系選擇

為解決屋面以上懸挑結構的施工難題，國內通常采用“高空斜拉型鋼支模平臺+滿堂支撐架”的模板支撐體系施工[2]，本工程若采取此方案，需使用大型吊裝機械，增加大量的經濟成本。

若采用滿堂腳手架，架體本身整體和單支立桿穩定性很難保證，且作為模板的受力支撐結構架體，加固工作量大，危險系數大[3]。

為降低施工成本，提供安全可靠的作業環境，確保項目按期完工，項目決定在懸挑結構兩側的剪力墻中預埋工字鋼橫梁，增加工字鋼結構，將懸挑支模架工字鋼擱置在工字鋼橫梁上部，變相縮短懸挑支模架工字鋼懸挑長度，保證懸挑式腳手架的整體穩定性，減小懸挑式腳手架懸挑工字鋼的撓度，以滿足規范標準要求，懸挑支模架拆除完成后再割除工字鋼橫梁。

2.2 懸挑支模架及外架體系深化設計

如懸挑結構采用懸挑式腳手架施工，懸挑結構懸挑長度達到4.4m，外側需間隔0.3m 搭設0.85m 寬外腳手架，即懸挑工字鋼懸挑長度需達到4.4m+0.3m+0.85m+0.1m =5.65m，要滿足1.25 倍錨固長度，需12m 長工字鋼。工字鋼錨固端為電梯機房和樓梯間，工字鋼拆除難度極大。

為使懸挑式腳手架滿足規范標準要求，達到縮短懸挑工字鋼懸挑長度的目的，確保工字鋼橫梁的形變在規范標準范圍內，項目將懸挑工字鋼及工字鋼橫梁的部分參數設定為：懸挑工字鋼間距900mm，懸挑長度為1400mm；工字鋼橫梁數量為兩根，兩端錨入兩側剪力墻400mm。工字鋼搭設形式見圖2。

圖2 工字鋼橫梁施工圖

2.3 工字鋼受力計算

2.3.1 工字鋼橫梁受力計算

懸挑工字鋼間距900mm，共有5 根懸挑工字鋼擱置在工字鋼橫梁上部，懸挑工字鋼向下傳導力經計算得F=10.56kN。工字鋼橫梁受力分析見圖3。

圖3 工字鋼橫梁受力分析圖

工字鋼橫梁的自重取0.335 kN/m，其受力分析過程如圖4～圖6所示。由圖4～圖6可得，工字鋼懸挑梁的最大彎矩為24.892kN·m，最大剪力為34.535kN，最大撓度為4.975mm，各支座反力為R1=34.535kN，R2=27.47kN。

圖4 彎矩圖(kN·m)

圖5 剪力圖(kN)

圖6 變形圖(mm)

強度：σmax=Mmax/W=34.377×106/237000=145.0 5N/mm2≤[f]=215N/mm2

受彎構件整體穩定性分析：

其中φb--均勻彎曲的受彎構件整體穩定系數：

查表《鋼結構設計標準》(GB50017-2017)得，φb=0.99

由于φb大于0.6，根據《鋼結構設計標準》(GB500 17-2017)附表C，得到 φb'值為0.79。

Mmax/(φb' Wxf)=34.377×106/(0.785×237×215×103)=0.859 ≤1

3、懸挑支模架及外架體系施工

3.1 工字鋼預埋件施工

根據計算過程，33 層防護層施工前，需對軸10～13交軸K～M 板采取加強措施，結構連板端部加一條300mm×140mm 暗梁配筋底面筋各4 根直徑25 鋼筋，箍筋為四肢箍，直徑8；板底筋、面筋由直徑10 改為直徑14。

樓板澆筑前，首先進行U 型錨環預埋，U 型錨環采用HPB300 級鋼材，直徑20mm，施工作業人員要按照工字鋼布置圖對U 型錨環的位置放線，為防止工字鋼鋪設時懸挑工字鋼與斜撐工字鋼上的孔洞錯位，U 型錨環位置偏差需控制在±1cm 之內。埋設過程中做好外露絲扣保護。每根工字鋼對應3 個U 型環，前端1 個，后端2 個。

U 型錨環預埋完成后進行混凝土澆筑，此時要安排專人看護U 型錨環，防止U 型錨環移位，導致后期不能安裝工字鋼。

3.2 預埋工字鋼橫梁

屋面樓板澆筑前，在工字鋼橫梁預埋位置兩端預埋工字鋼橫梁固定U 型錨環。屋面樓板澆筑完成后，安裝兩根工字鋼橫梁，工字鋼安裝需要塔吊配合施工，塔吊吊運工字鋼時下部要設置警戒區，并安排專人旁站警戒，作業人員要做好安全防護措施，穿防滑鞋，系安全帶。再安裝橫梁兩端剪力墻模板，模板高度500mm，澆筑混凝土，將工字鋼橫梁兩端澆筑在混凝土中。

3.3 懸挑腳手架體系搭設

工字鋼安裝需要塔吊配合施工，塔吊吊運工字鋼時下部要設置警戒區，采用兩點起吊的方式進行吊運，并安排專人旁站警戒，作業人員要做好安全防護措施，穿防滑鞋，系安全帶。

工字鋼安裝好后，地錨頂部固定錨片及螺栓，鋼梁與地錨之間的空隙塞滿木方、楔塊以固定工字鋼。立桿處工字鋼上焊高150mm 的φ25 短鋼筋頭2 根固定立桿底部，同樣外側立桿底部焊高100 短鋼筋頭用于鋼絲繩定位。

立桿及水平桿搭設完后，架體剪刀撐構造布置及其他構件設置嚴格按照規范標準要求布置。

為防止懸挑工字鋼在工字鋼橫梁上部出現滑移現象，工字鋼橫梁與懸挑工字鋼之間采用焊接的方式連接牢固，接縫處兩側另加兩根φ25 短鋼筋焊接。

由于懸挑結構的長寬比過大，懸挑支模架的抗傾覆性不足。懸挑支模架距結構邊線的距離過遠，單獨設置支模架連墻件的作用不大，故支模架搭設時與內側的防護腳手架連接在一起，增強支模架的抗傾覆能力。施工時結合現場實際情況，需要調整的部位應提前與技術部溝通[4]。

3.4 懸挑結構施工及懸挑腳手架體系拆除

懸挑混凝土結構澆筑時，需安排專人在支模架下部測量支撐結構形變值，變形按高度的0.1%進行控制，預警值為2cm，垂直度按高度的0.3%進行控制，預警值為5cm，當達到預警值時應停止使用，采取應急措施，并組織相關人員研究處理，在確保安全的情況下對支撐系統進行加固。

混凝土澆筑完成后，懸挑結構強度達到設計值的100%，進行模板和腳手架的拆除施工。

工字鋼拆除按照先搭后拆后搭先拆順序依次對各焊接節點進行乙炔氣割，化整為零，留兩根工字鋼橫梁后拆，先拆擱置在其上部的懸挑工字鋼，再由塔式起重機運至地面，最后拆除剩下兩根懸挑鋼梁[5]。拆除時根據現場具體情況，先將工字鋼使用鋼絲繩捆綁后掛在塔吊吊鉤上面，再設置一根風浪繩捆綁后，配合塔吊指揮將工字鋼一步步拆除。

結語：

本文通過郴州寧邦廣場項目實際案例，對在高空大懸挑結構施工的施工方案選擇進行了專門的研究，在保證安全、經濟的前提下，對懸挑結構的支撐防護體系進行深化設計，項目部根據此方案實施后取得了良好的效果，順利完成了支撐和模板支設、混凝土澆筑及模板和支撐拆除等工作，符合規范標準要求，施工過程中無發生任何質量、安全事故，可為同類高空大懸挑鋼筋混凝土結構工程施工提供參考。