高層懸挑轉換空間框架結構支撐胎架的設計與施工

蘇亞武 王大迎 郭德強 李金生 駱 軍 王朝龍

1.中國建筑第八工程局有限公司廣州分公司 廣州 510665 ；2.總裝備部建設工程西昌質量監督站 西昌 615000

1 概述

1.1 工程概況

中國南方電網有限責任公司生產科研綜合基地位于廣州市蘿崗區科翔路與香山路交界處，本標段的總建筑面積為198 531.3 m2，地下室2 層，地上4 棟單體（J1公司總部生產辦公區大樓、J2電力調度中心、J4展示會議中心、J5展示會議中心）。本工程建成后為中國南方電網有限責任公司的總部基地，質量要求為達到魯班獎，社會影響力大。

其中J1公司總部生產辦公區大樓南側首層至3層為中空大堂（圖1），4層樓板結構為懸挑轉換層結構。轉換層的框支梁為1 400 mm×2 000 mm的高大鋼骨混凝土梁，由于框支梁的懸挑長度達到13.37 m，結構設計時采用鋼骨混凝土斜撐使整體4～6層形成空間框架共同受力。

圖1 J1總部大樓首層高大堂效果

1.2 設計概況

根據結構施工圖中對1-A軸～1-D軸與1-1～1-17軸區域（圖2）首層～6層的結構施工進行特殊的說明：

（a）4～6層斜撐結構體系（圖3）需形成空間剛度，并達到設計強度后（按混凝土澆筑完成后28 d計算）方可拆除該區域以下的支撐體系（包括2 層地下室對應結構樓板區域）。

（b）4～6層斜撐結構體系達到設計強度后方可進行6層以上結構施工。

圖2 J1總部大樓懸挑空間鋼骨框架平面示意

圖3 J1總部大樓懸挑空間 鋼骨框架立面示意

2 原方案分析

2.1 原方案材料投入

根據結構施工圖紙及設計工程師的相關要求，J1總部大樓南側懸挑轉換空間框架區域需在6層結構樓板達到設計強度后方可對以下的模板支撐體系進行拆除。從現場的施工進度計劃進行分析，5層及6層的結構施工工期為15 d，即在6層結構樓板完成混凝土澆筑時， 層結構混凝土齡期已達30 d（按正常情況強度應達到設計要求100%）。根據《混凝土結構工程施工質量驗收規范（2010版）》的規定：混凝土構件（跨度大于8 m）強度達到100%即可進行拆模。據以上分析可得按照設計對結構施工的要求需額外投入的模板支撐體系時間地下1層樓板為192 d，首層樓板為165 d，4層樓板為30 d。

由以上可計算出由于設計對結構施工的特殊要求，擬將額外多投入10 000 m2模板木方，且鋼管支撐體系需額外投入約31 萬元（月租賃費按150 元/t計算）。

2.2 工期分析

（a）本工程建設體量大，施工周期短，工期壓力大，按合同工期要求2012年11月18日完成底板混凝土的第一方澆筑，2014年6月30日工程竣工交付使用。J1總部大樓的主體結構施工為關鍵路線的工作，如按設計要求6層結構待達到設計強度后方可進行上部結構施工，則會損失將近28 d的工期，這將會為工程后續施工帶來較大的影響。

（b）根據工程總體進度計劃，2014年6月中旬將插入地下室的初裝修及機電專業施工，J1總部大樓南側特殊區域支撐體系的延遲拆除導致過多的施工分段，不僅影響地下室初裝修及機電專業的整體策劃及施工，而且過多的施工接縫將會影響總體工程質量。

2.3 鋼結構施工

J1總部大樓1-A以南懸挑空間轉換框架中的鋼骨混凝土框支梁的型鋼為H1 200 mm×300 mm×25 mm×35 mm，該懸挑構件在安裝時需投入專用臨時胎架支撐，以利于型鋼安裝時栓焊施工。

3 方案優化及設計

3.1 優化施工方案

根據對原施工方案的分析，不僅會額外增加工程造價，而且對工期有較大的影響。項目技術團隊通過與設計工程師的溝通及對結構的傳力分析，并結合實際現場施工方案及進度，在確保滿足結構撓度要求的前提下，為了能夠按正常拆除腳手架支撐，在4層轉換梁處增加鋼管支撐。即在施工第4層時在4層轉換梁及懸挑梁底增加鋼管臨時支撐，以承受5～6層荷載作用，同時在施工過程中可以作為懸臂型鋼的臨時支撐回頂大鋼管尺寸為Φ609 mm，壁厚12 mm，共20 根（其中1-A軸上11 根，1-A軸偏南4 045 mm上9 根），如圖4所示。

3.2 施工過程模擬說明

3.2.1 工況1：澆筑4層混凝土

在4層模板支撐體系搭設過程中，需同時插入鋼管胎膜的安裝。胎膜面標高需等于4層樓板結構的底標高。所以在澆筑4層混凝土時胎膜僅承受它與樓板接觸面積范圍內（1 m×1 m）的樓板荷載，其余梁板結構部位荷載將由模板支撐系統承擔。

圖4 J1總部大樓懸挑空間鋼管回頂平面布置

由此可得工況1時結構受力情況為：澆筑4層樓板時，其施工活荷載（1 kN/m2）及支撐體系的恒載（5 kN/m2）通過鋼管支撐體系傳遞至首層樓板上。

3.2.2 工況2：澆筑5層混凝土

根據施工進度計劃，5層結構的施工時間為15 d，所以在澆筑5層混凝土時，4層的模板支撐系統仍然保留。所以5層梁板區域結構的荷載仍然有支撐體系傳遞至首層樓板上。

由此可得工況2時結構受力情況為：澆筑5 層樓板時，施工活荷載（1 kN/m2）及5層的支撐體系恒載（5 kN/m2）作用于4層樓板上，此時4層樓板支撐體系尚未拆除，荷載通過4 層支撐體系傳遞至首層樓板上。

3.2.3 工況3：澆筑6層混凝土

根據施工進度計劃，6層結構的施工時間為15 d，所以在澆筑6層混凝土前，4層的樓板結構的混凝土齡期已達到30 d（達到設計強度的100%），所以根據規范對4層的模板支撐系統進行拆除。所以6層梁板區域結構的荷載經模板支撐系統傳遞至4層樓板上。

（a）6層澆筑時的施工荷載（1 kN/m2）及6層的支撐體系恒載（5 kN/m2）作用于5層樓板上。

（b）由于5層混凝土已澆筑15 d，混凝土強度達到設計強度的75%以上，且支撐系統還未拆除，4層承受5層支撐體系荷載（5 kN/m2）及人員活荷載（1 kN/m2）。

3.3 計算結果

根據PKPM設計軟件進行模擬計算，各項計算結果均滿足設計要求：

（a）運用反算得出4層結構梁并未超限，且計算配筋小于設計配筋；

（b）根據《混凝土結構設計規范》中要求，本工程鋼骨混凝土結構的允許撓度為l/300（=28 mm），由計算結構可知采用了大直徑鋼管胎架回頂后，J1總部大樓1-A以南懸挑空間轉換框架結構最大撓度僅為9.47 mm，滿足設計要求（圖5）；

（c）根據計算結果，鋼管最大軸力為1 568 kN，其中位于1-A軸上的大直徑鋼管胎架由于位于地下室相對應的柱位上，所以軸力能通過結構柱傳遞到底板上。對于位于1-A軸偏南4 045 mm的大直徑鋼管胎架（共9 根）位于地下室結構板上，鋼管軸力大于結構樓板的承載力，由此需對地下室結構樓板進行回頂（采用48.3 mm的鋼管組成的格構式支撐架進行回頂）。

圖5 4 層梁彈性撓度示意（半幅）

4 現場施工[1-9]

4.1 重點與難點

（a）由于大鋼管胎架位于模板結構支撐體系中，并且二者的工作變形并不協調，所以為減少胎架與模板支撐體系的互相影響，在確保胎架的強度及穩定性的前提下選擇了609 mm大直徑獨立鋼管作為胎架。對于獨立安裝高度為13.65 m的大直徑鋼管胎架，確保獨立胎架的安裝垂直度將是本施工的重點，避免由于安裝偏差而產生的二階附加應力。

（b）在大直徑鋼管胎架進入工作狀態時，將進行胎架的應力應變監測，密切關注胎架的受力情況并分析數據是否符合PKPM的模擬計算。

（c）大鋼管胎架卸荷時結構會存在彈性范圍的內力重分布，因此大直徑鋼管胎架的卸荷也將是本施工的重點。

4.2 支撐胎架安裝要點

4.2.1 測量定位

根據設計方案，大直徑鋼管胎架直接支承在地下室頂部結構上，上部荷載通過結構柱或者格構式支撐架傳遞至地下室底板上。所以鋼管胎架的定位需要精確，避免引起其他構件的額外受力。

4.2.2 大直徑鋼管胎架連接

大直徑鋼管胎架采用6 m標準節，調整標高用的活動節根據現場實際測量凈空數據進行加工，確保胎架長度滿足要求。胎架節間采用大六角螺栓進行連接，且螺栓的擰緊度需均勻。

4.2.3 上下端部做法

由于大直徑鋼管胎架的直徑為609 mm，為減少接觸面混凝土局部壓力，在大直徑鋼管胎架上下端部采用25#工字鋼拼接成1 000 mm×600 mm的承壓面，增大受力面積。

4.2.4 應力應變監測

為能密切監測胎架的工作受力情況，在受力較大且重要的部位采用應變片進行測量，根據測量數據分析胎架在施工過程中的應力應變情況，并與設計方案進行校核。

4.3 支撐胎架拆除要點

4.3.1 胎架卸荷施工

主體結構施工過程中大直徑鋼管受力后會產生彈性壓縮，當工況滿足設計方案后，可進行胎架拆除。由于鋼管胎架已承受荷載并產生了彈性壓縮，所以在它拆卸前需進行卸荷。本施工方案對比了千斤頂、砂箱等卸荷方案后，考慮了施工周期較長，操作面小、承載力要求較高等要求后，采用了砂箱卸荷的方式。為優化卸荷過程中結構的內力重分布，鋼管胎架采用對稱卸荷。

4.3.2 大直徑鋼管胎架拆除

根據設計方案胎架拆除需待6 層結構樓板達到設計強度后才可進行拆卸，所以在4 層支撐架拆除時需預留局部拆卸操作平臺。由于操作空間的限制，胎架將采用預埋在4層結構樓板底部的吊鉤和電動葫蘆配合進行拆除。

5 結語

大直徑鋼管胎架較常使用于鋼結構臨時支撐，在本工程中成功運用于懸挑轉換空間框架結構的回頂施工（根據現場施工進度已有8 根鋼管成功進入工作狀態），使結構施工既滿足了設計工程師對關鍵結構的特殊要求，同時節省了工程造價。在國內強勁的商業地產發展的情況下，越來越多的大空間建筑受到青睞，本工程的回頂胎架設計思路及施工方法能為大跨度空間轉換結構施工提供較好的施工經驗。