高空中庭樓面結構模板支撐體系的設計

王慧文 黃 暉

常州第一建筑集團有限公司 江蘇 常州 213002

1 工程概況

常州市文化廣場二期工程為常州市地標性重點工程，總建筑面積490 000 m2，地上結構由6棟外形相似的拱形單體建筑組成，每棟單體結構形式均為混凝土核心筒結構及外懸挑鋼結構。根據每棟建筑功能的不同，在8#樓（書城）及9#樓美術館7層高空設置有中庭樓面，中庭樓面下部混凝土結構位于地下1層，中庭樓面高度37.5 m。中庭部分樓面主梁為600 mm×900 mm（H600 mm×300 mm）鋼骨混凝土梁，十字形布置，跨度19.2 m，其間布置有600 mm×900 mm混凝土次梁，間距4.8 m，樓板板厚180 mm。

本工程中庭樓面高度37.5 m，樓面梁截面均為600 mm×900 mm，根據住建部的建質[2009]87號文要求，本工程中庭樓面模板支撐體系為超過一定規模的危險性較大的分部分項工程，需要對此專門編制專項安全施工方案，并組織專家對該高大模板支撐體系方案進行論證。

2 方案選擇

針對本工程的特點，項目部組成專項小組，對該部分結構施工方案進行討論研究。經過多次分析研究，并結合往年公司的施工經驗，初步選定2種施工方案[1-4]，其中之一為傳統的支撐架系統方案，另一種為在結構層下方設置鋼結構平臺作為上部結構施工的支撐平臺，然后在此平臺上搭設支撐架。

2.1 傳統支撐架方案

傳統支撐架系統方案采用φ48 mm×3 mm鋼管，40 mm×90 mm木方，單扣件抗滑移承載力不小于8 kN、雙扣件不小于12 kN，頂托承載力不小于30 kN。

梁下支撐架立桿間距縱向≤800mm、橫向≤1600mm，4立桿（梁底2根承重立桿）；承重小橫桿間距同立桿縱距；牽杠步距≤1 800 mm；梁底木方按梁寬不同均勻豎放，間距為100 mm；梁側木方根據梁高板厚不同均勻豎放，間距為150 mm。板模架立桿間距800 mm×800 mm；牽杠步距≤1 800 mm。

支撐架在高度1/3、2/3附近樓層處分別設置加強層，1 800 mm步距高度范圍內增設1道牽杠，此處3道牽杠步距900 mm，并且與相鄰結構樓層可靠搭接。支撐架四周及縱橫間距10 m左右設置連續豎向剪刀撐，水平頂部、底部掃地桿處及3個加強層處均設置連續水平剪刀撐。

2.2 鋼平臺支撐方案

由于本工程中庭結構在7層，故在6層位置設置鋼結構平臺。經過初步試算，鋼平臺主梁選用熱軋H型鋼，規格為HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，間距2 400 mm，兩端通過在已經完成的結構平面上設置的預埋件與結構平面可靠連接。主梁上部根據鋼管支撐架的立桿間距設置工字鋼（16#，間距900 mm）作為鋼管支撐架基礎。由于主梁跨度達19.2 m，故需要在7層及8層已完成梁側設置吊點，通過φ36 mm圓鋼與主鋼梁上設置的吊點連接（圖1）。

鋼平臺上部鋼管支撐架做法同傳統方案，故不再贅述。

2.3 方案比選

根據初步確定的鋼平臺方案，項目部專項小組深入分析討論2個方案的優缺點，認為鋼平臺方案在下述方面存在一定的優勢[5-9]：

圖1 鋼平臺結構示意

1）鋼平臺方案現場施工工期較短，由于鋼平臺相關構件前期在加工廠進行加工，待現場安裝條件成熟后直接運輸至現場安裝即可，較傳統鋼管支撐架方案施工周期短。

2）鋼平臺方案安裝完成后，在平臺表面利用木模板封閉，形成密封操作面，作業人員在該作業面上進行上部鋼管支撐架的搭設與結構模板的安裝，作業人員的安全較傳統高大模板支撐架有保證。

3）鋼平臺方案構件安裝簡單，僅需將鋼平臺相關梁、拉桿等構件與預先在相關混凝土構件上的預埋件定位焊接，鋼管支撐架的定位則在地面上已經通過次梁完成。

4）鋼平臺方案的經濟性較傳統鋼管支撐架方案略有劣勢，但公司考慮為今后類似工程積累相關實際操作及理論經驗，決定采用鋼平臺方案。

3 鋼平臺結構

項目部小組確定實施方案為鋼平臺支撐方案后，由技術人員進行結構設計，并建立此處相關的三維模型（圖2），對鋼平臺進行詳細的施工圖設計。

圖2 工程局部三維模型

3.1 結構形式

根據初步試算的結構布置及支撐形式，對鋼平臺進行詳細的結構布置設計。

根據主樓7層中庭樓面及其下部鋼結構平臺層的原設計情況，確定了本方案的主要結構形式為：在主樓6層按照2 400 mm間距設置H型鋼主梁，規格為HN400 mm×200 mm×8 mm×13 mm，主梁與在澆筑完成的混凝土梁上設置的預埋件進行焊接連接，由于主梁跨度為19.2 m，在兩端距離支座3.8、6.8 m處設置φ36 mm圓鋼拉桿，分別拉設在7層混凝土梁及8層混凝土梁側面，與預先設置的預埋件連接；主梁上部根據普通模板支撐架鋼管位置布置16a#工字鋼，間距根據支撐架立桿布置，與下部主梁焊接連接。

3.2 荷載

根據7層混凝土結構具體布置，計算上部混凝土主梁在混凝土形成強度前的自重，按照線荷載分別加載在相應的支撐區域（圖3）。

圖3 混凝土主梁線荷載

計算7層混凝土樓板、混凝土模板及相關支撐鋼管自重，按照平面均布荷載加載在整個區域次梁上；根據施工規范相關要求及實際機械工具使用情況計算活荷載，按照平面均布荷載加載在整個區域次梁上（圖4）。

圖4 恒載3（4.5 kN/m2）＋活載（5 kN/m2）

3.3 計算分析結果

項目利用3D3S結構設計軟件進行結構設計計算，計算結果顯示：鋼結構最大應力比0.88，最大撓度1/447，最大位移21.13 mm。由此可知，驗算結果滿足規范及施工相關要求。

4 整體結構仿真分析與結構加固

鋼結構平臺相關構件設計驗算合格后，由于部分混凝土梁作為鋼平臺的支撐點，其受力情況較原設計有變化，需要對相關部分混凝土結構進行整體分析，對必要的部分進行加固處理。

利用有限元分析軟件MIDAS GEN建立相關的結構模型，按照上述鋼結構設計的荷載加載并進行結構分析（圖5～圖7）。

圖5 結構計算簡圖

圖6 結構位移云圖

圖7 鋼結構平臺支撐側梁彎矩

根據上述分析后的結果可看出，整體結構最大位移40.96 mm，混凝土梁跨中最大彎矩為887.6 kN·m，支座端負彎矩為－1 424.2 kN·m。而此處混凝土結構為：梁截面600 mm×700 mm，支座處配筋8φ28 mm（HRB400，4/4），跨中配筋6φ28 mm（HRB400，2/4），混凝土強度等級C35。

經計算，原混凝土結構梁承載力不足，需要對其進行加固處理。本次需要加固的混凝土梁兩端支承結構為鋼骨混凝土柱，若采取增加鋼筋的方式進行加固處理，會造成節點區鋼筋過于密集，影響此處混凝土澆筑的施工質量，故而采取在梁下部增加支撐的形式對承載力不足的混凝土梁進行加固處理。在4～6層、6～8層鋼平臺主梁支座及吊桿處的混凝土梁上設置支撐，支撐桿截面為φ245 mm×10 mm鋼管，與混凝土梁上、下表面相應位置處設置的預埋件焊接（圖8、圖9）。

再次對加固后的整體結構進行分析后可看出，混凝土梁跨中最大彎矩為416 kN·m，支座端負彎矩為－848 kN·m。加固后整體結構滿足規范要求。

5 結語

圖8 混凝土結構加固簡圖

圖9 加固后支撐側梁彎矩

常州市文化廣場二期工程主樓7層中庭混凝土樓面采用鋼平臺及鋼管支撐架組合形式的模板支撐方案，大大降低了傳統鋼管支撐架的搭設高度，將原來的工人作業點高度由原來的37.5 m降低為4.8 m，大大降低了工人操作的危險性。利用有限元軟件對相關的整體結構進行分析，找出結構的薄弱點，并對其進行加固處理，使得結構在正常安全的環境下運行。通過對該方案實施過程中的監測，本結構相關構件均在可控范圍內運行，未有超出設計階段計算結果的位移。