一種新型塔吊高空支模鋼平臺的研究與應用

劉玉濤

(中天建設集團有限公司,杭州 310005)

0 引 言

大型的會展中心、紀念性建筑以及體育館中荷載大、跨度大、截面大的混凝土梁,在現場施工過程中,必須采用高支撐模板體系作為施工的支撐結構。高支撐模板體系與已澆筑完畢的混凝土組成臨時承載體系共同承擔新澆筑混凝土的重量以及施工活荷載?，F有的高支撐模板體系在對應獨特的建筑結構形式時,總會暴露出某些方面的缺點,針對某些特定結構形式,往往不能滿足工程實際需要,這使得一些新型的高空支模體系應運而生。比如,深圳會議展覽中心標高45.000 m處的魚腹式框架懸挑梁,采用落地式格構柱和主體結構間搭設鋼桁架梁,并在上鋪設工字鋼平臺的支撐體系[1],河北廊坊市郊隆福寺長明燈塔標高65.950 m處混凝土懸挑梁,采用高空懸挑吊拉型鋼平臺支承扣件式鋼管支模架的支撐體系[2]。國家體育場頂環梁模板工程支撐體系采用鋼管扣件式腳手架搭設[3]。本文針對杭州奧體中心頂環梁的施工支模存在的難題[4],通過對比分析當前常用的幾種支撐體系,創新性提出并設計出一種塔吊標準節支承高空支模鋼平臺體系[5]。通過對比分析、理論驗算、有限元模擬方法對該支撐體系的適用范圍、搭設工藝、設計方法、結構性能及構造等進行一系列研究,并成功應用于工程實踐。該項目研究依托2013年度浙江省建設科研和推廣項目(自籌)(編號:2013Z078)。

1 工程概況

杭州奧體博覽中心主體育場為八萬座特級特大型體育建筑,總建筑面積為212 310 m2(地上151 451 m2,地下60 859 m2),地上六層,地下一層,地上有上、中、下三層看臺,建筑高度59.4 m (結構高度42.26 m),杭州奧體中心效果圖詳見圖1。主體育場看臺為鋼筋混凝土框架剪力墻結構,罩棚為空間管桁架+弦支單層網殼鋼結構體系。上層看臺頂部外邊緣設有變截面型鋼混凝土環梁,聯系上部鋼結構罩棚與下部勁性混凝土結構。該勁性混凝土環梁截面尺寸大,形狀變化多,標高較高并向外懸挑,懸挑長度約8.5 m,施工所需支模架搭設高度30～36 m,屬于超高超重大懸挑結構,看臺頂環梁三維模型圖詳見圖2。

圖1 杭州奧體中心效果圖Fig.1 Renderings of Hangzhou Olympic Sports Center

圖2 頂環梁三維模型圖Fig.2 3-D model of roof ring-beam

針對該超高超重大懸挑結構存在的高支模難題,根據現場要求搭設速度快、拆卸方便、構成形式靈活、能適應該工程建筑造型、具有較高的承載力和足夠的剛度等特點。本文從以下三個方面進行研究論述。

(1) 以杭州奧體中心主體育場工程頂環梁支模體系的實際需要和施工現場為依托,同時參考借鑒其他大型公共建筑空間結構的支模體系形式,進行多種模板支撐體系的方案策劃和比較,最終確定采用塔吊標準節支承高空鋼平臺體系。

(2) 通過有限元軟件Midas Gen對該支撐體系進行模擬,研究施工階段各種工況下支撐體系的受力情況,明確整個支撐體系的傳力情況,指導現場施工。

(3) 根據現場實際施工反饋,總結施工流程及要點,并根據施工存在的問題提出優化改進意見,以為后續類似工程提供借鑒。

2 支承方案研究分析

2.1 支架方案的比選與確定

本工程看臺頂部環梁截面高度由支座處的2.32 m變化至跨中的1.2 m,梁寬1.3～1.5 m,梁面標高由36.448 m變化至42.468 m,共計78跨,跨度均約為10.5 m。梁截面尺寸大,形狀變化多,標高較高并向外懸挑,懸挑長度約8.5 m,如圖3、圖4所示。

圖3 頂環梁示意圖(單位:mm)Fig.3 Sketch of roof ring-beam (Unit:mm))

方案階段選取四種方案,依次為扣件式鋼管腳手架搭設落地式支撐架、利用環梁型鋼吊掛模板(簡稱吊模法)、重型門架搭設落地式支撐架、落地式格構柱支承鋼平臺體系。綜合對比四種支撐方案的施工成本、安全風險、施工工期等方面的優缺點,最終采用落地式格構柱支承鋼平臺體系。支模示意圖詳圖5,方案對比情況詳表1。

圖4 頂環梁沿梁長方向剖面圖Fig.4 Section view along beam length of the roof ring-beam

圖5 塔吊標準節支承高空支模鋼平臺支模示意圖Fig.5 Sketch of the platform steel system of the high-altitude =formwork supported by the standard section of tower crane

表1 方案對比分析Table 1 Plan comparison

2.2 支架方案設計

1) 基礎加固

考慮到現場地下室頂板已經完成,格構柱在地下室內搬運困難,將塔吊標準節支承體系搭設在二層樓板,二層樓板厚200 mm,塔吊標準節支承體系基礎周邊3 000 mm×3 000 mm范圍內樓板局部加厚至500 mm,配筋加強至14@150雙層雙向?；A下部用鋼管支模架加固,加固范圍為4 000 mm×4 000 mm,支模架立桿縱橫距均為4 00 mm,步距1 500 mm,加固至地下室底板,加固支模架剪刀撐按規范相應要求設置?；A內預埋M30螺栓,與塔吊標準節螺栓孔相連,實際受力中按鉸接考慮。

2) 格構柱的選材

采用塔吊標準節作為格構柱基本單元,每個標準節高度為2.8 m,自重為770 kg/節,材質為Q235鋼。標準節外框尺寸1 600 mm×1 600 mm,豎向主弦桿截面135 mm×135 mm×10 mm,綴桿截面65 mm×65 mm×5 mm。相鄰標準節用8個Q345、M30(10.9級)螺栓連接。塔吊詳見圖6。

圖6 塔吊標準節現場圖Fig.6 Actual standard section of tower crane

3) 格構柱鋼平臺的搭設

格構柱上方設置一個由工字鋼I56c焊接的口型支座鋼平臺,作為主龍骨與格構柱的傳力裝置,其平面尺寸為1 800 mm×1 630 mm,鋼平臺與塔吊標準節的四肢中心線重合,支座焊接8根長100 mm的113 mm×113 mm×10 mm套入標準節豎向主弦桿內,防止支座從格構柱頂滑落,鋼平臺示意詳見圖7、圖8。

圖7 鋼平臺平面布置圖(單位:mm)Fig.7 Plan of steel platform (Unit:mm)

圖8 鋼平臺與格構柱的連接Fig.8 Connection between steel platform and latticed column

主龍骨采用工字鋼I56c,設置在鋼平臺上方兩側,兩環向I字鋼中心距為1 400 mm,呈折線布置,主龍骨斷開處,在主龍骨表面設置一塊250 mm×400 mm×10 mm的連接鋼板,與主龍骨上翼緣表面焊接,主龍骨下翼緣與鋼平臺表面焊接,詳見圖9。

次龍骨采用工字鋼I12.6,每根次龍骨長2.7 m,間距400 mm,橫鋪在主龍骨上,次龍骨上部焊有鋼筋頭,以便支模架鋼管立于次龍骨上方,避免滑移,次龍骨與主龍骨間采用焊縫連接。主、次龍骨與鋼平臺的連接詳見圖10。

圖9 主龍骨斷開處連接示意圖Fig.9 Connection between main keels

圖10 主、次龍骨與鋼平臺相互連接示意圖Fig.10 Interconnection among keels and steel platform

整體格構平臺現場制作圖詳圖11。

圖11 鋼平臺現場制作圖Fig.11 Actual steel platform

2.3 支架荷載分析

根據ISO 4032:1981 Cranes;Wind Load Assessment 及《塔式起重機設計規范》(GB/T 13752—92)第4.2節,風荷載計算如下:

Fw=CWpwAw

(1)

式中:Fw為作用在塔式起重機上的風荷載;pw為計算風壓;CW為風力系數,為1.6;Aw為垂直于風向的迎風面積。

A=ωA1

(2)

式中:A1為結構外形輪廓面積;ω為結構充實率,此處取0.3,得A=16.777 m2。

工作狀態:pw=250 Pa,Fw=6.7 kN。

非工作狀態:pw=1 100 Pa,Fw=29.5 kN,都為標準值。

頂環梁支模架傳遞給鋼平臺的荷載包括豎向靜力荷載(自重及施工活荷載)、風荷載(轉化為力偶作用于鋼平臺兩側的主龍骨梁),再考慮塔吊承受的風荷載,以半跨5.25 m為例,塔吊支承鋼平臺荷載標準值詳見圖12,以節點力表示。

圖12 塔吊支承鋼平臺受荷圖Fig.12 Loads applied in steel platform and tower crane

2.4 有限元計算

采用Midas Gen有限元分析軟件,單個塔身可理解為一個空間三維桁架,塔身標準節之間采用套筒高強度螺栓連接,模型中用剛接進行試模擬,空間腹桿兩端鉸接。建立兩跨模型(5個搭身),整體高度22.96 m。模型底端鉸接,主龍骨之間、主龍骨與鋼平臺都按剛接處理,距格構柱底端17.850標高處設附墻,附墻用剛性桿進行模擬,分析整體模型在活載滿布和活載半布兩種工況下結構第一階穩定狀況及構件變形、應力狀態。整體有限元模型詳見圖13。

各工況下結構響應如圖14～圖21所示:

(1) 活載滿布工況

活載滿布工況:第一階屈曲模態臨界荷載系數為58.73,局部失穩如圖15所示。主龍骨豎向變形最大值為5.4 mm如圖16所示,構件應力比最大值為0.66,均滿足規范[6]要求,如詳圖17所示。

圖13 整體有限元計算模型Fig.13 FE calculation model

圖14 活載滿布受荷簡圖Fig.14 Fully-applied live load

圖15 第一階屈曲模態Fig.15 First order buckling mode

圖16 豎向變形(單位:mm)Fig.16 Vertical deformation (Unit:mm)

圖17 構件應力比Fig.17 Stress ratio of the components

圖18 活載半布受荷簡圖Fig.18 Half-applied live load

圖19 第一階屈曲模態Fig.19 First order buckling mode

圖20 豎向變形(單位:mm)Fig.20 Vertical deformation (Unit:mm)

(2) 活載半布工況

活載半布工況:第一階屈曲模態臨界荷載系數為57.70,局部失穩如圖18所示。主龍骨豎向變形最大值為4.9 mm如圖19所示,構件應力比最大值為0.63如圖20所示,均滿足規范[6]要求。

2.5 施工流程及操作要點

塔吊標準節支承高空支模鋼平臺體系施工藝流程如圖22所示。

圖21 構件應力比Fig.21 Stress ratio of components

圖22 支模工藝流程圖Fig.22 Flow chart of form process

格構柱若與下部樓層結構碰阻,宜將格構柱埋入樓層結構內。根據格構柱的布置情況,部分格構平臺立柱從六層樓板(+25.50 m)中穿過,為加強立柱的側向穩定性,在樓層結構施工前,在立柱位置預留孔洞,將立柱的塔吊標準節澆入六層樓板中,如圖23所示。

圖23 塔吊桿件穿樓板做法Fig.23 Member of tower crane pass through floor

在次龍骨上部搭設環梁鋼管支模架。支模架立桿縱橫距1 000 mm,立桿步距1 500 mm,采用頂托形式,詳見圖24。

圖24 上部支模架搭設Fig.24 Upper support frame above steel platform

利用塔吊標準節做頂環梁的支模體系,拆除后對懸挑結構進行檢測,構件跨中撓度最大為3 mm,完全滿足施工規范要求,混凝土無明顯缺陷,各項允許偏差均滿足規范[7]要求,施工完畢后的混凝土結構如圖25所示。

圖25 施工完畢后的頂環梁Fig.25 Actual roof ring-beam after construction

3 結 論

本文以杭州奧體博覽中心主體育場工程為背景,根據工程看臺頂環梁所需的支模要求及施工現場條件,并結合結構特點,對本工程中頂環梁模板工程采用的支模架體系—塔吊標準節支承高空支模鋼平臺體系進行了研究,可得以下幾點結論:

(1) 借鑒其他大型公共建筑空間結構的支模體系形式,進行多種模板支撐體系的方案比較,提出了一種新型支模架體系—塔吊標準節支承高空支模鋼平臺體系。

(2) 通過理論分析和有限元模擬,采用塔吊標準節作為支承立柱,塔身結構承載力和各桿件截面能很好的滿足工程需求,在兩種不利工況下有很大的富余量。

(3) 該方案在背景工程中得到成功的實施,該方案工藝簡單,影響安全的因素較少,施工質量容易控制,且塔吊標準節可以重復使用,具有較高的經濟效益,可以向類似工程推廣。

參考文獻

[1] 孫謹,翟金永.深圳會議展覽中心高支模施工技術[J].建筑技術,2005,36(11):814-815.

Sun Jin,Zhai Jinyong.High support form work construction technology for Shenzhen conference and exhibition center project[J].Architecture technology,2005,36(11):814-815.(in Chinese)

[2] 孫新民,劉建崗,劉豐銘,等.高大懸挑結構高支模架體支承鋼平臺施工技術[J].建筑技術,2015,46(8):690-692.

Sun Xinmin,Liu Jiangang,Liu Fengming,et al.Largecantilevered construction technology of steel platform structure of high formwork support abutment[J].Architecture technology,2015,46(8):690-692.(in Chinese)

[3] 王大愚,趙紅梅,朱同然,等.國家體育場空間頂環梁施工技術[J].建筑技術,2009,40(6):501-503.

Wang Dayu,Zhao Hongmei,Zhu Tongran,et al.Construction technique of space top ring beam of National Stadium[J].Architecture Technology,2009,40(6):501-503.(in Chinese)

[4] 李小玥,徐雙全,陳正立,等.杭州奧體中心主體育場工程關鍵施工技術[J].施工技術,2016,45(9):41-45.

Li Xiaoyue,Xu Shuangquan,Chen Zhengli,et al.Key construction technology in Hangzhou Olympic Sports Center[J].Construction Technology,2016,45(9):41-45.(in Chinese)

[5] 石開榮,陳前,張原.某灰庫筒倉高支模傘狀型鋼支撐平臺設計與應用施工技術[J].施工技術,2013,42(2):68-71.

Shi Kairong,Chen Qian,Zhang Yuan.Design and application of umbrella-shaped section steel support platform of an ash bank silo high-formwork[J].Construction Technology,2013,42(2):68-71.(in Chinese)

[6] 中華人民共和國建設部.GB 50017—2003 鋼結構設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50017—2003 Code for design of steel structures [S].Beijing:China Planning Press,2003.(in Chinese)

[7] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50204—2002 混凝土結構工程施工質量驗收規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

Ministry of Housing and Urban-rural Development of the People’s Republic of China.GB 50204—2002 Code for acceptance of constructional quality of concrete structures[S].Beijing:China Architecture and Building Press,2002.(in Chinese)