高层建筑高空外挑结构模板平台的设计与施工.pdf

高层建筑高空外挑结构模板 平台的设计与施工 De s i g n a n d Co n s t r u c t i o n o f F o r mwo r k P l a t f o r m f o r Hi g h Ca n t i l e v e r S t r u c t u r e i n Ta l l Bu i l d i n g 杜晓晖 同济大学土木工程学院上海2 0 0 0 9 2 摘 要 结合常规的悬挑脚手架钢梁为部分悬挑的混凝土结构提供施工平台，用简便、廉价的模板排架体系 、脚手架体 系共用一个钢挑架的方法解决了工程问题。通过施工时和施工后的监测 ，该方法获得了良好的综合效果。 关键词 高层建筑 外挑结构 模板平台施工 设计 中图分类号 T U 7 5 5 ． 2 ， 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 一 1 0 0 1 2 0 1 2 l 0 8 0 8 0 6 0 3 1 工程概况 本工程 为上海市徐汇 区斜土街道 1 0 7街坊商办楼项 目， 基地面积 3 3 9 0 2 m ， 规划容积率 3 ． 0 ， 工程总建筑面积 为 1 9 7 1 9 3 m 2 。 地面以上由 2 幢塔楼和 4 幢 3 层商业裙 房组成 ， 其中， 东 、 西塔楼分别为 1 9 层和 2 1 层， 建筑面积为 6 5 7 0 0 m z ， 建筑高度约 8 9 m 。 本工程塔楼外形规整、 立面垂 直，无弧线和特殊角，外观效果如同两个错开叠放 的纸盒 子 东塔楼的东立面和南立面在 l 1 层外挑 1 m ， 北立面和 西立面则缩进 1 m 西塔楼的西立面和南立面在 1 3 层外挑 1 ． 5 m ， 相应地在北立面和东立面则缩进 1 ． 5 m 图 1 。本工 程塔楼投影面积约 2 0 0 0 m z ，建筑体型较为矮胖，由核心 筒、 外围框架组成。 图 1项 目外观 框架梁呈放射性布置连接核心筒和外围框架柱 ，在外 围框架柱外还有一段悬挑结构。 由于框架柱是上下对齐的 ， 作者简介 杜 晓辉 1 9 7 5 一 ， 男 ， 本科 ， 高级工程师。 作者地址 上海市桂林路 9 2 8号 2 0 1 1 0 3 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 一 O 1 8 0 6 I 2 0 l 2 8 h 珂 n g 建筑立面错开仅是最外围悬挑部分的变化 ，因此结构还是 属于常规的框架剪力墙体系， 并无特殊之处。 外挑部分离地 面 4 5 m～5 5 m 。 2 外挑部位施工难点 外挑部分距离地面高度最高达 5 5 m， 需要在施工方案 中解决的问题是 a 脚手架悬空 建筑高度达到 2 0 m以上时， 无论从 立杆稳定性 ， 还是从周转材料租赁费用上考虑 ， 大量钢管落 地搭设既不安全也不经济， 必然要考虑爬升或者悬挑。 b 外挑部分模板支架悬空 悬挑施工平台须承 受 2 层的外挑部分 1 ． 5 m的梁板结构浇筑混凝土荷载和施 工荷 载， 直到悬挑结构的混凝土强度发展到形成 自身的承载 力。 由于悬挑部分距离地面超过 5 O m， 显然落地搭设不经济也 不现实， 必须设置高空模板体系。 C 悬挑体系拆除作业悬空 安装悬挑支架时 ， 下部楼 层正处于混凝土结构施工 ， 脚手架围护设施齐全 ， 因此安装 作业并非悬空 ； 而拆除悬挑钢架时， 下方的外墙已经处于饰 面施工 ， 不可能搭设脚手架作为拆除工作平台 ， 拆除作业须 考虑平移进楼层的方法。 3 几种可行技术方案比选 有三个备选方案进行比选。 方案 1 脚手架和模板体系分别用独立的钢架悬挑。 模 板下的型钢构件可 以按照集中荷载分部来布置 ， 2 套体系 各自分工互不干扰。 其工作量较大， 钢构件的安装和拆除工 作量大， 占用一定工期。 用钢量和工时均较大 ， 造价高。 搭拆 2 次钢构件对工期有一定影响。该方案可行性一般。 方案 2 先用悬挑钢梁搭设模板施工悬挑楼层达到强 度后翻拆钢梁为脚手架服务。 没有任何悬挑特别远的构件 ， 受力比较小。 搭拆 2 次较为繁琐 ， 只需 1 套型钢。严重依赖 混凝土强度增长 ， 不满足工期要求 。该方案可行性较差。 方案 3 脚手架体系和模板体系共用型钢悬挑架。 受力 较明确 ， 但是构件截面和 内力都较大 ， 支座反力也较大。一 次搭拆即可解决所有问题较为便利，构件虽大但是较为简 洁可 以接受 ， 对工期影响甚微。该方案可行性较好。 经过对其优劣对比， 首先淘汰方案 2 。 因工期要求不允 许浇筑外挑层，以后并待强度发展到足 以拆除模板再接着 建造上部结构，而该方案在节省钢材方面的优势和 它所延 误的工期相比微不足道。 方案 3 从功能 、 成本和便捷性都较 优，唯一不足的是模板体系的荷载和脚手架荷载全部作 用 在一套钢挑架上 ，只要钢构件安全储备足够，还是较有优 势。因此最终选择 了方案 3 。 4 外挑平台钢架设计和计算 4 ． 1 钢梁设计 钢架采用三角挑架形式 ， 悬挑梁为水平受力构件直接 承受来 自立杆的集中荷载 ， 吊杆或斜撑构成外侧支座。其 中的悬挑梁 ， 长度应该满足在主要开间内可以顺利搬运的 要求 ， 避免解体搬运 重量应满足 4人能搬动而不需借助 吊 车 ； 主要焊接节点不宜外挑过多 ， 避免悬空操作的风险。按 照上述要求基本确定钢架的形式如图 2所示。 l 4 层 5 7 3 5 01 1 1 最 ‘ ‘ ‘ ‘ _ ‘ 。 。 一 一 甘 f O 0 l 4 0 l I 3 层5 3 ． 壁 骂 一 ⋯ r __ _ 蟊 时 一 蚪 I 2 岸 拥 o 5 Om 1 2 _ _ ● _ - _ _ _ ● - - - - - _ _ 一 钢臀 - ● 殳 一 寸 } I 4 ． 7 5 o m l l _ 图 2 结构 出挑部位悬挑钢架剖面 4 ． 2 钢架计算 选择钢梁带外挑段和不带外挑段两种情况进行计算 4 ． 2 ． 1 钢梁带长 1 ． 0 5 m的外挑段 的情况 该钢梁为 3个铰支座带悬臂端的两跨连续梁 图 3 。 计算单元 1 、 2 、 3 为悬挑梁 ， 计算单元 4 为斜撑杆 节 点 1 为 自由端 ， 节点 2 、 3 、 4为连续梁的 3 个铰支座， 节点 5 为斜撑杆的铰支座。 图 3斜 向支撑杆为两段铰支 的二力杆 将荷载简化为 4个集 中力， 由外 向内分别为 1 0 ． 6 k N 、 1 0 ． 6 k N 脚手架立杆传来 ， 偏于安全地考虑全部 9步架子， 覆盖 4层 4 ． 4 k N 模板体系边梁下立杆 、 l 1 ． 6 k N 模板 体系楼板下立杆 。计算结果为 1 弯矩 图 4 图 4钢梁带 1 ．0 5m外挑段弯矩示意 由弯矩图可直观看出 外挑段梁所形成 的负弯矩和跨 中正弯矩基本相等 ， 避免 了跨 中弯矩和挠度偏大的情况， 使 工字钢截面的承载力得到充分利用。 2轴力 图 5 图 5 钢梁带 1 ． 0 5m外挑 段轴 力示意 3位移 变形 挑梁外侧 1 节点 处水平位移为 0 ． 0 7 0 6 m lT I 、 垂直位 移为 1 ． 8 9 6 7 m m 挑梁 ／ 斜撑铰接点 2节点 处水平位移 为 0 ． 0 7 0 6 m i ll、 垂直位移为 1 ． 0 7 2 0 f il m ； 斜撑轴向压缩量 为 1 ． 0 7 4 fi l m 。 4 ． 2 ． 2 钢 梁不带外挑段 的情况 保持荷载不变 钢梁弯矩增加较 大而各杆件轴力减少 的情况见图 6 、 图 7 。这种计算模型下对应的位移 挑梁外侧 1节点 处水 平位移为 O ． 0 8 3 m m 、 垂直位移为 0 ． 5 3 2 m m m ； 挑梁 ／ 斜撑铰 接 点 2节 点 处 水 平 位 移 O ． 0 5 3 m m 、垂 直 位 移 为 5 ． 9 0 4 mil l illt lf ll 工第 4 淼笔R 期l R n 7 图 6 钢梁 不带外挑段 弯矩 示意 图 7 钢梁不带外挑段轴力示意 根据上述情况， 故选择外侧竖向位移较小的 4 ． 2 ． 1 方 案进行设计。 5施工实施情况 5 ． 1 根据计算结果 。 主要构件截面选型 计算单元 1 2 3 挑梁采用长 6 m的 2 0 b 热轧工字 钢 ， 建筑物 内锚固长度 2 ． 6 5 m 支座 2采用焊接 ， 支座 3采 用搁置 ，支座 4采用 4根 西1 4 m il l 螺栓作为锚 固承 受拉 力 ； 计算单 元 4 斜撑杆采用 1 1 0 IT I m 8 m m无缝钢管 ， 倾角 2 4 。 ；悬挑结构完成后设置 M 2 7吊杆 作为安全储 备 ；采用 4 8 m m3 ． 5 m m钢管作为联 系杆改善平面外 稳定性。 5 ． 2 钢挑架的安装、 使用和拆除 楼面浇筑完 l d后安装悬挑钢梁 ， 在 l l 层楼面清理 出 预埋件并安装斜撑杆件。 在安装斜撑杆件的同时， 可以穿插 挑梁上外侧搭设 限高 3 ． 6 m脚手架。斜撑焊接工作完成后 可搭设悬挑部分楼板和梁的模板支撑。悬挑架的联系杆完 成后进行验收并投入使用。 在此工况下 ， 型钢挑架达到最大 荷载 2 层混凝土结构施工荷载和 5 步脚手架荷载一起作 用在型钢挑架上 。 悬挑部分楼板和 1 3 层楼面、 墙柱一并浇筑混凝土 ， 并 顺次施工 1 4层。1 2 、 1 3层混凝土达到设计强度后拆除悬挑 部分模板支撑。此工况下 ， 型钢挑架只承受脚手架荷载 最 大荷载为 9 步脚手架 ， 单立杆荷载为 1 0 ． 6 k N 。 待主体结构 和幕墙构件完成后 ， 白上而下拆除外脚手架。此工况下 ， 型 钢挑架处于逐步卸除荷载过程。幕墙施工前拆除悬挑钢结 构。 5 ． 3 钢挑架的施工工期 钢梁和下面的斜撑杆总质量为 3 0 t 技术措施直接费 约 1 5 万元 ， 对偌大体量的项 目而言还是比较经济的 ， 工期 为 2 ． 5 d 。在这 2 ． 5 d时间内， 非悬挑部位的竖 向结构钢筋 安装工程照常进行。钢挑架 的搭设仅延长 了该层 1 ． 5 d工 期。 5 ． 4 钢挑架的拆 除 设计拆除方式为临空解体， 再水平拖进楼层内处理。 具体步骤见图 8 。 m 带 长 b 第2 步拆除吊秆 c 第3 步系好保险绳 蠹 自下而上拆钢赞斜撑 2 _ tJ S 3．t, g ,a - -- -L I-- 5 3． ／ f 拉 进 楼 层 e 第5 步系好 f 辩6 步谯楼 保险绳拆除挑粱 层内将拂_粱解体 图 8钢挑 架拆 除示意 实际施工中，先按上述方法拆除连续的 3榀挑架 ， 形 成一个较宽的开口，然后把整个挑梁临时悬吊后割除钢管 斜撑下部节点 ， 并拆除钢梁固定在楼板上的螺栓连接节点 ， 再把整榀挑架略微降低高度后横过来整体拖进楼层 内实施 切割。 这样可避免临空切割作业造成熔化金属溅落的危险 ， 工人作业环境也较为安全。钢管和钢梁均可按 5 m～ 6 m 整段回收。 6 实施效果 在整个施工过程 中， 钢结构 悬挑架 的强度、 刚度和稳 定性完全能满足要求。浇筑混凝土后用水平仪观测到悬挑 部分下垂变形在 0 ． 2 m m～1 m m范围内。 施工期间所有悬挑 构件均稳定可靠 ， 验收通过后 ， 即按照 1 层 ／ 6 d ～1 层 ／ 7 d 的速度施工。 在悬挑层混凝土达到拆模要求前， 上部已经浇 筑 了 3 层 ～ 4层结构 ， 未发现任何异 常情况。拆除模板后 ， 钢挑梁只承受外侧脚手架立杆荷载 ，卸荷后也没有任何变 化， 证明安全储备是足够的。 在经济性方面 ， 该挑 架一物两用 ， 同时解决了脚手架 和外挑结构模板 的需要 ， 且增加的工作量较小 ， 对工期的影 响也仅仅是增加不到 2 d工期。 7 结语 悬挑脚手架结构施工通常情况下要求 受力状况差异 很大的模板排架体系和脚手架体系不发生联系，以避免误 拆、 超载等造成工程事故。 而本例施工实践 ， 通过精心设计 、 严格管理 ， 让两者共用一个钢挑架 ， 是完全可行的。由于型 钢结构最大正应力的安全储备均较大 ，故应该在设计计算 中以控制节点位移作为主要的考量并优化结构形式 ，以达 到最佳效果。 霉 毛 ∈