高空雙層超長懸挑鋼筋混凝土結構施工技術

鄭 壘 王西倫 李宗才 竹作凱

1. 中建八局第二建設有限公司 山東 濟南 250014; 2. 濟南市工程質量與安全中心 山東 濟南 250014

1 工程概況

河北醫科大學第一醫院新建醫技病房樓工程主樓結構的11層頂及機房頂設有雙層三角形懸挑結構，雙層結構之間設徑向鋼筋混凝土墻，墻體厚度150 mm，其中11層為懸挑框架梁結構，無樓板，由7根徑向懸挑梁和端部封邊梁形成三角形懸挑區域，機房層頂部懸挑部位為懸挑梁板結構，樓板厚度為120 mm。懸挑結構梁最大尺寸為400 mm 800 mm，最大懸挑長度為6 340 mm，懸挑端部封邊梁尺寸為250 mm 800 mm，懸挑結構距地高度48.7 m。設計結構形式如圖1、圖2所示。

2 工程重、難點分析

1）懸挑結構臨空高度大。懸挑結構最小距地高度為48.7 m，常規鋼管支撐腳手架施工難度大、工期長、投入高，且超過30 m的支撐腳手架搭設控制范圍。

圖1 C樓11層頂懸挑結構

圖2 C樓機房層頂懸挑結構

2）懸挑長度長、結構荷載大、施工危險性高。按照結構設計，結構最大懸挑尺寸達6.34 m，僅結構自身質量已超過15 kN/m2（結構荷載達22.4 kN/m3），屬于超過一定規模的危大工程的范疇，增大了結構施工的難度和危險性，確保支撐架體的安全性和穩定性是工程施工過程中的重點和難點[1-2]。

3）雙層結構施工組織及變形控制。懸挑結構由雙層懸挑梁、板結構及徑向墻組成，雙層結構分層施工，如何有效控制混凝土內部應力變形，保證支撐結構穩定，控制型鋼變形，防止懸挑段混凝土受力開裂，是工程施工過程中的重點。

3 施工方案選擇

3.1 方案總體設計思路

1）采用工字鋼作為支撐腳手架的基礎，工字鋼上部搭設鋼管扣件式滿堂腳手架，型鋼選型時，在保證結構安全性的基礎上，選用36b#工字鋼，并盡可能使得梁、板部分型鋼規格統一。

2）懸挑型鋼通過在樓板內預埋的鋼筋拉環進行固定。

3）對于懸挑梁處線荷載較大部位，對梁下部型鋼彎矩、穩定性等進行核算，計算型鋼梁支撐能否滿足懸挑梁長度范圍，對于超過長度范圍的懸挑梁，在懸挑型鋼下部設置斜向鋼支撐，鋼支撐下部與混凝土結構內預埋板焊接，上部與懸挑型鋼焊接。

4）在懸挑型鋼之間設置水平連接桿件，斜向支撐設置水平及斜向連接桿，減小長細比。

5）豎向結構柱先行施工，預埋鋼絲繩拉結點，對型鋼支撐進行拉結。

6）優化混凝土澆筑順序，利用結構自重彎矩抵抗懸挑段彎矩，提高結構的整體安全性。

3.2 懸挑方案設計

3.2.1 分區段設計

由于該懸挑部位平面呈三角形，懸挑段長度變化較大，因此在進行架體設計時，需根據懸挑長度及荷載分布情況、支撐方式分區段進行設計，其中懸挑長度4 m以上的部分結構采用懸挑型鋼梁＋圓鋼斜撐的支撐受力體系，懸挑長度4 m以下的部分結構采用純懸挑型鋼支撐受力體系。

3.2.2 支撐架系統

懸挑型鋼采用36b#型鋼，型鋼下部設φ100 mm鋼管斜支撐，支撐位于距離結構外邊3 500 m位置，總體支撐架系統如圖3所示。

圖3 總體支撐系統

1）懸挑梁選用36b#工字鋼，懸挑段的長度為封邊梁外邊＋300 mm，錨固段長度不小于1.25倍懸挑長度，型鋼布置間距1 m，軸線位置受柱影響，型鋼布置間距按照柱截面尺寸＋600 mm布置，型鋼距離柱邊距離300 mm。

2）懸挑型鋼采用在結構內預埋的U形拉環固定。

3）結構外邊梁內設置預埋鋼板，用于固定懸挑型鋼與斜向鋼支撐，斜向支撐角度控制在45°～60°之間，形成三角形穩定受力體系。

4）懸挑型鋼之間設置水平連接桿件，抵抗側向失穩，斜向支撐之間設水平及斜向連接桿件，減小長細比，增加穩定性，在斜向支撐的型鋼支撐點設豎向加勁板，抵抗集中應力（圖4、圖5）。

圖4 懸挑梁斜向支撐設置示意

圖5 斜支撐水平橫桿平面示意

5）懸挑梁梁側型鋼受柱影響，間距較大，懸挑梁梁側型鋼采用鋼絲繩進行卸載，鋼絲繩上部通過柱內預埋拉環進行拉結。

4 施工要點

4.1 預埋板預埋

在型鋼懸挑層外邊梁內預埋鋼板，采用水準儀嚴格控制平面標高誤差，將預埋板與梁鋼筋焊接固定。

4.2 懸挑梁安裝

混凝土強度達到C20后即開始安裝懸挑鋼梁，超長型鋼接長采用Z形焊縫，坡口形式采用V形破口。

在型鋼懸挑段內，相鄰型鋼之間設水平連接拉桿，抵抗型鋼側向失穩，提高體系整體穩定性。

4.3 斜支撐施工

斜支撐下部與邊梁內預埋的鋼板焊接，上端與型鋼梁底部焊接連接，在斜支撐中部采用圓鋼管設置水平及垂直連桿，減小長細比，增加斜支撐穩定性（圖6、圖7）。

圖6 斜支撐垂直連桿

圖7 斜支撐焊接吊籠

在焊接位置設水平抗滑移措施，為抵抗斜支撐上部支撐點處型鋼內集中應力，在型鋼內部腹板上設置豎向加勁板（圖8）。

圖8 焊縫水平抗滑移措施及豎向加勁板

4.4 支撐架施工

1）懸挑段架體與錨固段結構支撐架體連通，水平接頭需相互錯開，使得架體形成整體，從而增加支撐架體的穩定性。

2）固定段結構支撐架體落在型鋼上部，利用錨固端上部結構及支撐體系自重產生的彎矩抵抗懸挑段彎矩，經核算，懸挑段線荷載Q懸基本與固定端線荷載Q固一致，考慮固定段長度L固＝1.25L懸的因素，拉環所受力大幅度減小，避免預埋拉環獨立受力，提高安全性。

3）支撐架體搭設時，在型鋼上部焊接鋼筋頭，用于固定架體立桿，防止位移（圖9、圖10）。

圖9 焊接固定鋼筋

圖10 架體立桿落在型鋼上部

4.5 混凝土澆筑

受雙層結構懸挑梁之間連接墻體及型鋼支撐體系設計要求影響，雙層結構混凝土澆筑時需要重點關注：混凝土結構受力形態的變化，避免應力變形導致混凝土裂縫的產生；根據型鋼支撐體系受力情況，優化混凝土澆筑方案，最大限度地提高施工安全性；型鋼懸挑段斜拉鋼絲繩的設置；混凝土澆筑時集中荷載、沖擊荷載的控制；支撐體系的變形情況監控。

4.5.1 豎向施工組織安排

為保證施工安全，在豎向墻的上、下兩端設置水平施工縫，將混凝土結構施工豎向分為3段，首先澆筑下層懸挑結構，其次澆筑豎向墻及與墻連接的框架邊柱，最后澆筑上部懸挑梁及屋面板。

4.5.2 平面組織安排

下層懸挑結構與該樓層結構同步澆筑，混凝土按照“由內向外、逐跨澆筑”的順序進行施工，利用先澆筑的梁板結構來平衡懸挑結構彎矩，避免混凝土施工冷縫和混凝土塑性后由彎矩逐步增加導致的變形裂縫（圖11）。

圖11 下層懸挑梁澆筑順序

上層懸挑梁板施工時，混凝土按照“由外向內、由長到短”的順序進行施工，使彎矩的增大過程由大到小，充分利用支撐體系的承受能力，縮小相鄰懸挑型鋼的變形差（圖12）。

圖12 上層懸挑梁板澆筑順序

5 結語

1）工程實踐證明，懸挑工字鋼與鋼管斜支撐的組合支撐體系配合設計優化的雙層懸挑鋼筋混凝土結構施工方法，作為一種高空大懸挑鋼筋混凝土結構施工的方案，其在安全性、經濟性、施工速度及確保工程質量等方面是安全可靠的。

2）與先前研究相比，本方法解決了高空雙層大懸挑組合受力結構體系的施工難題，著重解決了懸挑結構的支撐體系問題，雙層結構施工組織及施工安排問題、變形及裂縫控制問題等。

3）與傳統的搭設支撐架體施工方案相比，該施工技術方案的施工周期較短，人力、物力投入少，減少了場地占用，更加環保，且拆除后的型鋼經周轉、調撥使用后，投入成本小。

4）結構施工完成后，經檢查，混凝土結構觀感質量良好，未發現結構變形及混凝土裂縫，達到規范要求。

5）以本工程結構施工經驗及成果為依托，總結形成了一種高空雙層大懸挑鋼筋混凝土結構施工工法，為同類工程施工積累了經驗。