可周轉裝配式懸挑工字鋼模板支撐架體施工技術*

金 博,章立昌,許越鑫,王 唯,吳 昊,李萬平,彭海松

(中建三局集團有限公司工程總承包公司,湖北 武漢 430064)

0 引言

由于我國尚處于經濟快速發展階段,大量消耗資源、影響環境的建筑業,應全面實施綠色施工,承擔起可持續發展的社會責任。目前建筑屋面、機房層經常設計有懸挑花架、懸挑梁板等懸挑結構,常規施工方案為懸挑出工字梁(須在樓層梁板上預先埋設U形鋼筋卡環,端部斜拉鋼絲繩作為保險繩),在工字鋼上搭設鋼管支撐架體施工。該施工技術存在以下主要缺陷:①工字鋼設置所造成的外墻洞口修補麻煩且不利于二次結構施工;②埋于結構混凝土的預埋U形環不能周轉,只有上部螺母和壓板可周轉使用,后期裝修階段需割除U形環和鋼筋拉環,不符合綠色施工理念;③預埋U形環需增加措施鋼筋并焊接固定,在澆筑混凝土過程中易偏位和傾斜,增加混凝土澆筑難度;④傳統挑梁在結構陽角、樓梯間等洞口區域需加長錨固;⑤懸挑架搭拆工作量大,拆除過程中工字鋼抽取安全風險極大。

為解決上述問題,創新采用中建三局工程技術研究院基于外架搭設研發出的可周轉裝配式懸挑工字鋼梁作為懸挑結構模板架體的支撐鋼梁。其通過可周轉取出的預埋螺栓與鋼梁連接,實現免留洞、免切割,準確定位,便于工序穿插,減少安全風險的目的,并且可周轉次數(理論可周轉次數200次)遠遠高于傳統懸挑工字梁,具有巨大經濟效益。

1 工程概況

武漢大學人民醫院洪山院區建設項目總承包(EPC)工程為新建一所三甲綜合醫院,總建筑面積276 882.81m2,其中地上建筑面積153 202.81m2,地下建筑面積123 680m2。項目包含門診醫技樓4層,綜合住院樓11層,醫療中心住院樓13層,國際轉化醫學中心17層,學術交流與大數據中心3層,住培中心5層,食堂2層,醫療垃圾暫存間1層。

本工程懸挑屋架結構主要分布在綜合住院樓和醫療中心住院樓屋架層,高度及梁板尺寸如表1所示,綜合住院樓懸挑梁板區域如圖1所示。

表1 懸挑屋架結構工況

圖1 綜合住院樓懸挑梁板區域

2 架體設計思路

懸挑屋架結構由于距離地面過高(>50m),若采用落地架高支模搭設:①安全風險大,架體高度過高,容易造成立桿偏移產生重力二階效應,導致架體失穩坍塌;②影響外立面施工且不經濟。若采用傳統懸挑工字鋼作為架體支撐鋼梁,其使用和周轉均不方便。

在綜合分析對比后,采用可周轉裝配式懸挑工字鋼梁作為支撐鋼梁,增設斜拉桿成穩定三角受力體系,在工字鋼上部搭設滿堂架,安裝和周轉操作安全、簡便,符合醫院建筑綠色施工要求。以綜合住院樓為例,屋架主要懸挑結構懸挑1 700mm,采用2.5m長I18可周轉裝配式懸挑工字鋼,沿邊梁間隔1.2m布置,上拉桿采用φ20鋼筋拉桿(與上層梁φ20鋼筋吊環連接),在工字鋼上搭設支撐架體及外掛安全網,支撐架體與主體結構設置鋼管抱柱拉結及鋼管頂撐拉結,防止傾覆,如圖2,3所示。

圖2 懸挑屋架支撐架體搭設剖面

圖3 懸挑屋架支撐架體搭設示意

3 可周轉懸挑工字鋼技術原理及特點

可周轉裝配式懸挑工字鋼根據承載位置需求分布在混凝土結構上,主要包括可取出預埋件和外部連接件,如圖4所示。

圖4 附著件示意

1)可取出預埋件 可取出預埋件預埋在混凝土結構內部,由定位部件和可取出螺旋式螺桿組合而成,其中螺桿也可單獨作為預埋件使用。

2)外部連接件 外部連接件與可取出預埋件通過螺栓連接,固定在混凝土結構外側,為直接支承設備、設施的承載構件。主要形式有鋼支承架、鋼牛腿等。外部荷載(主要為豎向力、彎矩)傳遞至鋼牛腿,鋼牛腿通過連接螺栓將豎向力傳遞至螺桿,螺桿通過桿壁與混凝土擠壓將豎向力傳遞至墻體。鋼牛腿通過上部螺桿受拉、下部面板與混凝土結構表面擠壓,將彎矩及水平力傳遞給螺桿及墻體,螺桿通過周圍混凝土抗剪將拉力傳遞至墻體。最終所有荷載均傳遞至混凝土結構,如圖5所示。

圖5 受力原理

附著件使用完成后,外部連接件、可取出預埋件均拆卸周轉,循環使用。相較于傳統埋件與牛腿組成的附著件,應用可周轉預埋件懸挑工字鋼承力體系優勢為:①安裝速度快,裝配式安裝,無需焊接,安全可靠;②用鋼量小,所有構件均可周轉;③結構不留洞,無滲漏風險;④綠色施工,零耗材、零污染等。

4 設計計算及測試

1)計算內容 懸挑梁板結構自重及施工荷載等作用力通過模板支撐架體傳遞至懸挑鋼梁,并且部分荷載由斜拉桿承受,需進行鋼梁強度、抗剪、撓度驗算,上拉桿強度驗算,與拉桿相連的花籃螺栓驗算及吊耳板驗算,與鋼梁相連的預埋螺桿部件驗算,模板支撐架體驗算,驗算結果均滿足規范要求。懸挑工字鋼主要受力如圖6所示。

圖6 懸挑工字鋼主要受力示意

2)有限元分析計算 為驗證新型懸挑架體系整體受力性能,采用MIDAS Gen 2018進行整體建模有限元分析。桿件均采用梁單元,傳統懸挑型鋼與墻體連接采用只壓節點彈性支撐,新型懸挑型鋼與墻體連接固接。施工荷載和混凝土梁荷載按樓面荷載作用于支撐架體上。計算結果選用不同工況最不利包絡。可周轉懸挑支撐架計算結果如圖7所示,最大應力129.34MPa<215MPa,受力滿足要求;對各桿件進行穩定性驗算,桿件最大應力比為0.6,安全儲備較高,滿足穩定性要求;最大變形2.33mm,發生在支撐架頂部,變形較小,滿足要求。綜上所述,新型懸挑支撐架體受力滿足要求。

圖7 新型懸挑支撐架計算模型

3)承載力試驗測試 在試驗中,新型可周轉懸挑工字鋼在有斜拉桿作用下能承受60kN設計靜荷載,且有安全余量。通過試驗發現,在加載至60kN時,鋼筋混凝土墻體不會出現結構性開裂,同時預埋螺桿周邊鋼筋受力較小,也不會受到損傷。

5 施工技術

5.1 工藝流程

可周轉裝配式懸挑工字鋼模板支撐架體安裝工藝流程為:預埋件組裝與包裹→定位放線→鋼筋綁扎→預埋件安裝→模板加固→混凝土澆筑→拆模、養護→螺母拆除及預埋質量檢測→連接件安裝(懸挑梁就位)→架體搭設→模板鋪設、鋼筋綁扎。懸挑工字鋼現場安裝如圖8所示。

圖8 懸挑工字鋼現場安裝

5.2 操作要點

1)預埋件組裝與包裹 首先將定位板和4根預埋螺桿利用鎖緊螺母鎖緊;將黃油均勻涂抹于螺桿表面,并用保鮮膜或熱縮膜纏裹保護。

2)預埋埋件 待外框架梁鋼筋綁扎完成后,梁側模板封模前,進行埋件預埋:定位放線→螺桿定位板組裝→定位板就位→定位板定位復核→定位板與鋼筋點焊固定→梁側模板封模。

3)組合工字鋼挑梁安裝 待混凝土澆筑后達到可上人強度時,拆除外框架梁側模板,清除螺母表層混凝土,使每個定位板螺母均能露出混凝土表面。

4)預埋件安裝 ①測量定位:通過定位板中心水平坐標和豎向坐標定位每個埋件(螺桿定位板組裝件)準確預埋位置;②預埋安裝:將預埋件安裝至預定位置,通過增加限位筋將預埋件卡住固定好,限位筋與鋼筋點焊固定,再利用扎絲將埋件捆綁固定。

5)螺母拆除及預埋質量檢測 ①表面清理:待混凝土澆筑后達到設計強度時,進行外框架梁側模板拆除,清除螺母表層混凝土,使每個定位板鎖緊螺母均能露出混凝土表面;②螺母拆除:采用專用電動扳手拆除鎖緊螺母。③預埋質量檢測:拆模后對預埋件混凝土密實度、澆筑質量、預埋件外觀質量和尺寸偏差進行檢測,如表2所示。

表2 預埋件安裝允許偏差

6)連接件安裝(懸挑梁就位) ①懸挑梁吊裝就位:每根組合工字鋼挑梁重約32kg,由2名安裝工人進行安裝,其中1人站在下層外架上抬組合工字鋼使背板螺口對準預埋螺桿,再由1名工人負責連接螺栓安裝,安裝過程中采用水平尺對工字鋼平整度進行校正;②連接螺栓安裝:懸挑梁吊裝就位后,通過連接螺栓將連接件固定在預埋件上(連接螺栓預緊力矩要求達50～60N·m),并對連接件底部抄平(誤差控制在±2mm以內)。連接螺栓作為工字鋼與預埋件連接主要部件,應保證傳力可靠,安裝時必須配套防松墊片一起使用。安裝時,應控制擰緊力矩(控制在60N·m以內),避免因預緊力造成對初期混凝土的破壞。每根可周轉裝配式懸挑工字鋼搭配2根上拉桿,上拉桿可作為直接受力桿件計算,采用φ20 Q235B鋼筋。上拉桿一端通過螺栓固定在工字鋼端頭,另一端固定在上層結構梁或樓板上預埋拉環上。固定上拉桿的預埋螺桿拉環埋設位置與固定工字鋼的預埋螺桿在同一垂直面上,露出混凝土面的預埋螺桿應盡量沿鋼拉桿方向,以利于上拉桿受力可靠。陽角工字鋼采用2根φ20鋼拉桿上拉,確保工字鋼安全穩定。

7)支撐架體搭設 懸挑模板支撐架體采用扣件式鋼管架搭設,模板厚度15mm,木方尺寸50mm×100mm。懸挑工字鋼主要間距為1 200mm,局部由于空間限制,間距按≤1 200mm原則調整(如綜合住院樓局部為550mm及900mm等間距),模板支撐架體立桿橫向間距隨工字鋼布置,立桿縱向間距主要為 450, 900,1 010mm等,步距主要為1 500mm,部分為830mm及1 200mm等。做好架體防傾覆措施,架體與結構采用3種連接方式:鋼管抱柱拉結、預埋短鋼管拉結、鋼管頂撐拉結,連接桿應呈水平設置,嚴禁外高內低上斜連接。搭設流程為:鋪設墊板→擺放掃地桿→逐根豎起立桿、隨即與掃地桿扣緊→安裝掃地橫向水平桿并與立桿或掃地桿扣緊→安裝第1步縱向水平桿(與各立桿扣緊)→安裝第1步橫向水平桿→安裝第2步縱向水平桿→安裝第2步橫向水平桿→安裝第3步縱向水平桿和橫向水平桿→安裝連接桿→接長立桿→加設剪刀撐→鋪設腳手板→在作業面搭設攔腰桿和踢腳板→掛安全網。

8)支撐架體拆除 架體拆除按先上后下,先外后里,從一端走向另一端的順序進行。通長水平桿和剪刀撐等必須在腳手架拆卸到相關位置時方可拆除。對于可周轉懸挑工字鋼采用吊籃+塔式起重機輔助拆除,構件拆除順序為:安全網→擋腳板(或側擋板)→腳手板→扶手(欄桿)→剪刀撐(隨每步腳手架拆除)→大橫桿→小橫桿→立柱→連接桿→斜拉桿及防傾覆桿件→懸挑工字鋼。可周轉懸挑工字鋼拆除流程為:松開固定連接螺栓→拆除連接件→拆除定位板及預埋螺桿。

5.3 安全措施

1)可周轉懸挑工字鋼安裝、使用、拆除應在專業技術人員指導下進行,配置固定專業班組,組織建立具有針對性的管理小組。

2)可周轉懸挑工字鋼安裝前應檢查墻體預埋件附近混凝土施工質量,如有缺陷,應采取措施修補。

3)可周轉懸挑工字鋼附近應有明顯安全標志,防止碰撞、拉掛等損害。

4)可周轉懸挑工字鋼拆除時應有保險繩等防墜措施,所在墻體不得立面、空間同時進行施工作業,并做好兜底措施,防止小混凝土碎塊、小器具等散落。

5.4 注意事項

1)可取出預埋件組裝時應注意:①預埋螺桿與定位板組裝時應連接牢靠,不應有縫隙,以免混凝土漿流入縫隙中,影響鎖緊螺母拆除;②黃油應涂抹均勻,厚度應適中,一般為螺桿表面均勻覆蓋一層油膜為宜;③包裹時,保鮮膜或熱縮膜宜為3～5層,尤其應注意螺紋部位,包裹后應保持原有螺紋深度和輪廓。

2)埋件預埋定位時應注意:①鋼筋綁扎時提前定位放線,鋼筋應避開預埋螺桿位置。可取出預埋件安裝到位,采用定位鋼筋將預埋件卡住固定,保證定位板豎直、水平。②預埋件安裝質量檢查:預埋件質量檢測主要包括加工質量檢測和拆模后的質量檢測,加工質量檢測主要檢查其產品合格證、材質證明及檢測報告等;拆模后的質量檢測包括對埋件部位的混凝土檢測和埋件位置檢測。

6 結語

本文首次將可周轉懸挑工字鋼體系應用在模板支撐架體施工中,實現了所有構件均可周轉使用,符合綠色施工理念,有效解決了穿墻工字鋼影響室內裝修等工序穿插的難題,降低外墻漏水隱患,從而達到整體工程工期縮短的效果,且工序上的減少使該體系更經濟有效,為類似工程提供參考。