超高層住宅建筑懸挑避難層施工工藝研究

趙亞峰 唐中輝 劉傳雄 陳 杭 彭 帥

1 研究背景與工程案例

隨著社會經濟的發展和人口數量的增長，部分城市已經出現了用地緊張問題，而建設超高層建筑是解決上述問題的有效措施。在大、中型城市，超高層建筑不僅是社會生產需要和人類生活需求的產物，也是城市快速發展的象征。《民用建筑設計統一標準》（GB 50352―2019）和《建筑設計防火規范》（GB 50016—2014）中規定，建筑高度超過100 m 的民用建筑為超高層建筑，需要設置避難層[1]。常規的鋁模+爬架施工工藝僅適用于超高層建筑的主體施工，避難層施工時需要采用其他施工方法。

福建省莆田市城廂區龍德井片區危舊房改造項目位于莆田市鳳凰山街道，北至文獻西路，南至南門西路，東臨下磨溪，西靠龍脊山公園和莆田市第一中心醫院。其中，安置地塊總建筑面積為310119.515 m2，用地面積為52874.690 m2，包括10 棟住宅兼底商、6 棟配電房、1 棟幼兒園和1 個兩層地下停車場以及設備用房。3 號樓、5 號樓、8 號樓和9 號樓為超高層住宅，每棟樓的16 層、32 層均設置懸挑避難層，避難層層高為3.1 m。

2 施工重難點

首先，超高層建筑的16 層以及32 層為外凸避難層，使用普通工藝難以施工，需要采用懸挑支撐架，因此對懸挑結構的力學分析至關重要。其次，工字鋼懸挑鋼梁架分別設在15 層和31 層，且懸挑結構需在爬架爬升后才能施工，涉及到交叉作業，需要加強控制爬架與懸挑結構作業的協調性和安全性。最后，避難層懸挑結構復雜、螺栓連接較多，外部懸挑施工作業安全風險高，且工藝控制點較多，對管理人員和作業人員的水平要求較高[2]。

3 方案設計和力學分析

3.1 方案設計

項目工程體量大、工期緊張，避難層的樓梯間和陽臺為外凸懸挑結構，且模板支撐體系為梁板分離體系。為解決避難層的施工難點，合理進行工序銜接，經過多種方案對比，確定采用承插型盤扣式懸挑支模架體系+雙排扣件式鋼管腳手架進行施工。腳手架方案對比如表1 所示。

表1 腳手架方案對比

3.2 力學分析

強度驗算，在作業過程中，懸挑平臺主要承受材料自重、人群荷載和風荷載等其他不利荷載[3]。通過對前期荷載數據、梁板各項參數的收集以及懸挑結構錨固點的布設，得到表2和表3。

表2 梁板參數表

表3 荷載參數表

抗彎強度公式：

式中：σmax為最大正應力；Mmax為最大彎矩；Wx為主梁截面抵抗矩。

抗剪強度公式：

式中：τmax為最大剪應力；V為剪力；S為計算剪應力點以上（或以下）截面對x軸的面積矩；Ix為截面慣性矩；b為截面寬度。

根據荷載標準值和設計值計算公式，計算主梁上方荷載，帶入式（1）和式（2）進行抗彎和抗剪驗算，繪制彎矩圖和剪力圖分別如圖1 和圖2 所示，經過驗算均滿足規范要求。

圖1 彎矩圖（來源：作者自繪）

圖2 剪力圖（來源：作者自繪）

下撐桿件及懸挑主梁穩定性的驗算，下撐桿件采用20a 工字鋼，計算出桿件角度后，依次計算其軸向拉力和桿件長細比。通過查詢《鋼結構設計標準》（GB 50017―2017）中的軸心受壓穩定計算參數，檢驗下撐桿件的穩定性，并通過壓彎構件強度計算主梁穩定性。經過計算，下撐桿件及懸挑主梁的穩定性均滿足規范要求[4]。

4 懸挑結構支撐體系搭設工藝研究

4.1 固定工字鋼

懸挑式支模架搭設時應做到整體剛度好，焊接焊縫符合要求，主挑梁表面平整，受荷安全，操作空間安全，不變形、不搖晃，懸挑式支模架搭設流程如圖3 所示。

圖3 懸挑式支模架搭設流程圖（來源：作者自繪）

在每根工字鋼穿墻處及斜撐支撐點位置預埋300 mm×300 mm 的木盒，木盒底標高與樓板面標高齊平。在板內預埋3 處固定工字鋼的U 形卡環，每處2 個Φ20 mm 的圓鋼卡環，用于平衡工字鋼挑出產生的力矩。卡環鋼筋預埋在混凝土板底部，每側平直段長度不小于0.6 m。工字鋼穿過卡環定位好后，用木楔將其固定在卡環內，以防止工字鋼移動[5]。

4.2 設置下撐桿

懸挑段設置1 根20a 工字鋼下撐桿，支撐點處用鋼板和螺栓與樓板固定，鋼板為400 mm×300 mm×10 mm，螺栓為8.8 級Φ30 mm，長度50 cm。在15 層和31 層樓面澆筑前預埋豎向螺栓，預埋深度為35 cm，外露長度為15 cm，在水平方向預埋Φ35 mm套管，后期使用螺栓穿墻與鋼板連接固定。斜撐工字鋼兩端根據支撐角度用氧氣切割成斜面，一端與主梁工字鋼及預埋板焊接連接，焊縫高度不小于10 mm，焊縫質量不應低于二級，另一端與樓面預埋螺栓安裝連接。

4.3 設置鋼絲繩

鋼絲繩用Φ18 mm 的6×19a 鋼芯鋼絲繩，抗拉強度1550 N/mm2，間距與懸挑主梁保持一致。15 層和31 層剪力墻頂部施工時，在對應處預埋Φ20 mm 圓鋼拉環用于鋼絲繩錨固，待混凝土達到設計強度后，用鋼絲繩吊掛住懸挑主梁工字鋼的主節點。

為確保卸荷效果，鋼絲繩與垂直方向立桿的夾角應盡可能小，但不應小于45°，且與懸挑工字鋼應保持在同一個垂直面上。懸挑段設1 根鋼絲繩上拉，支撐件距主梁外錨固點的水平距離應為2800 mm，上下固定點的垂直距離應為3100 mm，上下固定點水平距離應為2700 mm。在立桿處的工字鋼上焊接2 根150 mm 的Φ25 mm短鋼筋頭，用于固定立桿。在外側立桿底部焊接高度為100 mm 的短鋼筋頭，用于鋼絲繩定位。

4.4 設置連墻件

連墻件的設置全部采用鋼管拉結，在15 層和31 層底部的懸挑梁、封檐梁處每隔兩步預埋鋼管連墻件，連墻件應均勻布置，每個拉結間距不得超過兩步三跨。

4.5 搭設支模架

在懸挑工字鋼上平放16a 工字鋼作為次梁，主次梁工字鋼應滿焊固定，兩端伸出不小于100 mm，防止滑動。次梁安裝好后，按照立桿的布置，在工字鋼上焊接Φ25 mm、長200 mm 的固定鋼筋，鋼筋焊接好后搭設立桿。其中，樓層面立桿縱橫間距不得大于1200 mm，掃地桿離樓面高200 mm，水平桿步距不得大于1500 mm。模架下方設置下掛平臺，采用模板進行全封閉，既作為斜撐工字鋼的操作平臺，又能起到安全防護作用[6]。立桿采用直角扣件與支撐架的掃地桿相連接，并加設防滑扣。下掛平臺的步距1.5 m，縱距為1.2 m，橫距為0.6 m。

4.6 設置防護架

懸挑層底部需要采用50 mm×50 mm×3 mm 的方鋼和18 mm 厚的模板做全封閉，方鋼間距為300 mm，用鐵絲將方鋼與工字鋼綁扎牢固。外側防護架體搭設流程如下：預埋件設置―安裝懸挑主梁―懸挑主梁上下支撐桿件設置―立桿定位點設置―縱向掃地桿―立桿―橫向掃地桿―橫向水平桿―縱向水平桿（腰桿）―剪刀撐―連墻件―鋪腳手板―扎安全網。

4.7 監控和驗收

為了有效避免避難層施工發生重大安全事故，在架體搭設和鋼筋安裝、混凝土澆搗前、施工過程中和混凝土終凝前后，監測人員必須隨時進行監控，重點內容為：第1，各桿件位置、連接點是否正常工作，斜撐以及剪刀撐設置是否合理性，是否滿足施工規范要求。第2，桿件下方底座是否穩固，是否存在懸空。第3，整體懸臂支撐體系是否出現沉降，沉降范圍是否在可控范圍內。第4，安全防護措施是否到位，是否存在松動情況。第5，各受力桿件是否存在變形的情況。

在安裝完成后，需根據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB 50204―2015）和《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》（JGJ 130—2011）的標準驗收支撐架體，合格后方可投入使用。

5 結語

本文以莆田市超高層建筑避難層施工為例，從方案設計、力學分析和施工流程及要點3 個方面分析了懸挑式支撐架的施工工藝，應用效果良好、結構穩定、安全系數高，創造了良好的經濟和社會效益，具有較高的推廣價值。下一步將繼續借助具體項目，開展裝配式懸臂支撐架在超高層住宅建筑中的應用研究，探索超高層建筑避難層更加高效快捷、安全可靠的施工工藝，以創造更大的社會價值和經濟價值。