高空懸挑斜拉模板支撐體系的設計與應用

張 凱

廣西建工集團第三建筑工程有限責任公司 廣西 柳州 545002

隨著國內高層建筑的不斷出現，越來越多的建筑設計采用懸挑樓面和屋面，混凝土結構在屋面或一定高度位置向外懸挑，以實現建筑設計獨特的立面效果，增加更多的使用空間。

一般高空懸挑結構施工具有跨度大、高度高、荷載大等特點，對模板支架和腳手架的設計與應用提出了更高難度的要求。在綜合考慮安全、進度和經濟性等因素的基礎上，本文結合實際工程，在懸挑式結構模板支撐體系的設計和應用方面進行了探討。

1 施工部位結構概況

背景工程位于廣西南寧市，框架剪力墻結構，地下3層、地上22層，總建筑面積60 497.18 m2，主樓建筑高度87.49 m。屋面周邊結構挑出形成懸挑屋面，結構懸挑長度2.90 m，懸挑屋面板標高87.49 m（圖1），21、22層層高分別為4.60、3.30 m。

2 模板支撐體系及支座選型

2.1 模板支撐體系選型

根據施工當地常用的材料類型及常用的施工工藝，確定采用扣件式鋼管腳手架為模板支撐架體，且在支撐架體外側搭設雙排腳手架，使其伸出屋面作為施工時的作業及臨邊防護架。

圖1 懸挑構件示意

扣件式鋼管腳手架常用的有落地式和懸挑式2種，由于場地狹窄，施工部位離地面高度大，從安全性和經濟性方面考慮，可排除落地式支撐架體，擬選用懸挑式模板支撐體系。

2.2 架體支座選型

懸挑式有懸挑型鋼＋斜拉、懸挑型鋼＋斜撐和貝雷片幾種支座類型（表1）。

表1 懸挑架支座類型比選

從結構可靠度、施工便利性和經濟性等方面進行比較，懸挑型鋼＋斜拉支座的方式可重復使用，其構造簡單且安裝、拆卸方便、施工成本低，雖然需多搭設1層鋼管支架，但均采用現有周轉材料和成熟工藝，增加的成本不多，且其安全性可控。因此最終選擇懸挑型鋼＋斜拉支座的支撐方式。

2.3 型鋼選型

型鋼選用截面對稱、穩定性好的工字鋼[1]，工字鋼內側支承于下層樓面上，用工具式卡具固定，懸挑段外端增加斜拉桿卸載。

2.4 斜拉桿選型

通過對比圓鋼、鋼絲繩等不同材料的性能及可靠程度，南寧地區使用鋼絲繩作為外架懸挑鋼梁斜拉桿的工藝成熟可靠，故選擇鋼絲繩作為斜拉桿。鋼絲繩下端連接工字鋼，鋼絲繩上端固定在上層結構混凝土梁上的預留拉環上。

從安全角度考慮，按規范要求在同一部位設2根相同的鋼絲繩分別用作工作繩和安全繩，一用一備，提供足夠的安全儲備。

3 受力模型分析與驗算

3.1 確定工字鋼的安裝位置

根據主體結構及上部懸挑屋面結構尺寸，擬定將工字鋼安裝在21層混凝土樓面（標高79.59 m），工字鋼長9 m，外側懸挑段長4 m，內側錨固段長5 m，內外分設U形固定螺栓固定工字鋼。

工字鋼外端末段下側設置繩擋，確保斜拉鋼絲繩固定位置準確、不發生位移（圖2）。

圖2 懸挑斜拉支撐示意

3.2 確定模板支架立桿軸力

按普通扣件式鋼管支架計算模板支撐各立桿傳遞的軸力。計算時，據JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術規范》要求除考慮模板、架體、鋼筋及混凝土自重等靜荷載外，還考慮施工人員及設備、傾倒混凝土時的沖擊、振搗時產生的振動等活荷載以及風荷載等，并對荷載進行組合，最終確定各立桿軸力設計值。

經計算，支承在工字鋼上的各立桿軸力分別為（從內到外）：5.91、7.12、5.70、3.75、3.30 kN。

3.3 確定斜拉桿固定位置

斜拉桿與鋼梁的水平夾角以大于45°為宜[2]，本工程斜拉桿水平夾角約為51°，且工作繩和安全繩固定位置基本相近、夾角相同，以保證內力、變形一致[3-4]。斜拉桿下端固定點位于工字鋼梁距外端0.7 m（工作繩）、0.5 m（安全繩），上端固定點位于22層樓面（標高84.19 m）混凝土梁外側，在混凝土梁上埋設φ22 mm鋼筋拉環，距樓面分別為0.3 m（工作繩）、0.1 m（安全繩）。

3.4 確定計算模型

模板支架立桿支承于工字鋼梁上，工字鋼擱置于樓面上，內側2個支點，外側懸挑，梁端用鋼絲繩拉結于上層結構上。將內側2個支點和上層鋼筋拉環支座簡化為鉸接節點，計算時考慮鋼絲繩的彈性變形，僅考慮1道斜拉桿受力。

經計算，在工作繩（固定點距鋼梁外端0.7 m）受力狀態下，斜拉桿內力、變形較大，鋼梁內力相差不大。在工作繩受力的工況下進行驗算如能滿足，則在僅有安全繩受力的工況下安全系數更大，計算結果偏安全。因此選用工作繩受力時的計算模型進行驗算（圖3）。

圖3 計算模型示意

3.5 設計驗算

3.5.1 ?材料型號設定及力學參數取值

根據常用材料規格，假定懸挑鋼梁選用18#工字鋼，選用6×19的φ18 mm的鋼絲繩，對其進行驗算。材料的主要力學參數如下：

18#工字鋼：彈性模量E＝206 000 MPa，截面面積A＝30.7 cm2，慣性矩I＝1 660 cm4，抵抗矩W＝185 cm3。

φ18 mm鋼絲繩：彈性模量E＝92 100 MPa[5]，截面面積A＝254.5 mm2，破斷拉力F＝176 kN，安全系數K＝10（據JGJ 80—2016《建筑施工高處作業安全技術規范》，以下簡稱“規范”）。

3.5.2 ?荷載計算

模板支架上部荷載主要包括架體、模板、鋼筋及混凝土自重等靜荷載和施工荷載、混凝土振搗產生的荷載、風荷載等活荷載，經荷載組合計算[6]，每根立桿傳遞至工字鋼梁上的荷載設計值如表2所示。

表2 荷載設計值

3.5.3 ?內力及強度計算

經結構力學求解器計算，工字鋼最大彎矩Mmax＝6.19 kN·m，則有：

式中：σ——工字鋼正應力，MPa；

Mmax——工字鋼最大彎矩，kN·m；

W——18#工字鋼截面模量，cm3；

[f]——鋼材容許強度值，MPa。

工字鋼抗彎強度滿足要求。經計算，抗剪強度也滿足要求。

經結構力學求解器計算，鋼絲繩軸向拉力T＝17.16 kN。

驗算鋼絲繩強度為：

式中：K——鋼絲繩安全系數；

F——鋼絲繩破斷拉力，kN；

T——鋼絲繩軸向拉力，kN。

鋼絲繩抗拉強度滿足要求。

3.5.4 ?變形計算

經結構力學求解器計算，工字鋼最大變形為4.9 mm，最大變形處位于懸挑段最外端。該變形值在允許范圍內，如在安裝鋼絲繩時將工字鋼外端略微提起，以抵消施加荷載后的變形，可更好地保證澆筑后的混凝土構件尺寸位置準確。

3.6 不考慮鋼絲繩彈性變形時的計算結果對比

3.6.1 ?計算結果

常規進行簡化計算時，常不考慮鋼絲繩的彈性變形，將鋼絲繩與工字鋼梁的連接點簡化為固定鉸支座。在該簡化模型下，計算結果為：

內力：工字鋼最大彎矩Mmax=6.93kN·m，σ=Mmax/W=37.46 MPa。

鋼絲繩軸拉力T＝17.88 kN，K=F/T=9.84，不滿足要求。

變形：工字鋼懸挑段末端變形約等于0 mm，基本無變形。

3.6.2 ?與實際工況對比

在本例中，如不考慮鋼絲繩的彈性變形，計算結果中鋼絲繩軸拉力偏大約5%。對φ18 mm鋼絲繩進行驗算時，不滿足規范安全系數K≥10的要求，需選擇更大規格的鋼絲繩才能滿足，與實際工況偏差較大，未能充分兼顧經濟性。

4 模板支撐體系搭設及安全措施

4.1 固定螺栓及吊環埋設

固定工字鋼的3個U形螺栓埋設于21層樓面，其中1個距外邊0.1 m，另外2個距結構外邊梁分別為4.6、4.8 m。固定鋼絲繩的拉環埋設于上一層（22層）樓面結構邊梁側面，距樓面分別為0.1 m（安全繩用）、0.3 m（工作繩用）。

4.2 工字鋼及斜拉鋼絲繩安裝

根據模板支架立桿位置、鋼絲繩連接位置等尺寸參數，在工字鋼上焊接短鋼筋作為鋼管立桿定位柱，防止立桿側滑；在下側焊接角鋼作繩擋，防止鋼絲繩滑動，保證連接點位置準確；在工字鋼與主體結構邊緣部位焊接短槽鋼或工字鋼，防止懸挑工字鋼梁內滑。

將工字鋼置于U形螺栓內下墊墊板并調正位置后，用壓板、雙螺帽固定，工字鋼側面與螺栓間的空隙用硬木楔楔緊，以防止鋼梁側移（圖4）。

圖4 工字鋼錨固點構造示意

鋼梁初安裝時，在懸挑段根部處墊厚10 mm木板（收緊鋼絲繩后取出），使梁外端頭預上撓約20 mm，以抵消鋼絲繩初期變形產生的下撓[7]；用繩卡、卸扣連接鋼絲繩上下兩端，收緊固定，并在架體搭設、混凝土澆筑過程中隨時檢查U形螺栓、螺帽的擰緊程度，保證最終受力時結構構件的位置尺寸。

4.3 模板支架搭設

鋼梁安裝完畢后，作為模板支架基礎在其上搭設立桿及其他桿件，內外支架作為一個整體同時搭設，并與主體結構有效拉結，最后安裝模板、鋼筋。架體掃地桿處必須安裝水平剪刀撐。

4.4 安全措施

在模板支架掃地桿處鋪設腳手板作為作業面，并在其下掛設安全網作為安全防護，最外立桿內側掛設密目立網作為立面防護。

對鋼絲繩與工字鋼接觸部位外套膠管進行保護，避免鋼絲繩與鋼梁直接接觸，防止鋼梁切割鋼絲繩。

5 屋面混凝土澆筑及支撐架體拆除

5.1 混凝土澆筑

混凝土澆筑時，先澆筑內側后澆筑外側，對稱平行推進澆筑[8-9]，避免出現局部立桿退出工作導致部分立桿內力偏大失穩的情形，保證架體穩定。

在澆筑過程中，在立桿下部設置變形觀測點，同步觀測變形數據并與計算結果實時比對，出現異常時需及時檢查分析并處理。

5.2 支撐架體拆除

懸挑屋面混凝土達到齡期強度后才能拆除模板支架。拆除時，可僅拆除混凝土結構模板、楞木、頂托等，保留架體作為臨邊防護和裝飾作業架體。待飾面工程全部完成后再拆除全部架體，拆除順序為：架體→鋼絲繩→工字鋼。

6 結語

本工程采用搭設高空懸挑斜拉模板支架的方法，施工操作簡單、搭拆方便，相關構、配件易于獲取且能二次使用，節約成本。

在本文所介紹的方法中，對懸挑鋼梁可能產生的側向變形等不穩定因素并未考慮，其有可能對懸挑支撐架產生不利影響，但在施工過程中如能保證鋼絲繩、鋼梁的位置準確，并做好支架掃地桿、剪刀撐等構造措施，應能將施工控制在安全范圍之內。

在進行簡化計算時，通過考慮鋼絲繩的彈性變形，從而使計算模型更接近實際工況，同時兼顧了施工的安全性和經濟性，為今后的同類施工提供了一定的指導和可資借鑒的經驗。