扣件式腳手架在復雜工況條件下的應用

倪磊 上海市水利工程集團有限公司

隨著城市防汛度汛要求不斷提升，泵站、閘室等水工建筑物承擔著日益重要的防洪排澇職能。泵站水閘修建過程中，往往涉及屋面高大模板支撐體系的設計與施工，考慮到屋面結構異形、支模高度高、梁板結構截面尺寸大、汛期部分作業(yè)空間已通水、現場搭設工況復雜等特點，高支模腳手架施工存在較大的安全風險，成為整個泵站閘室施工過程中安全風險控制的重中之重。根據《危險性較大的分部分項工程安全管理規(guī)定》住建部令2018年37號令，對超過一定規(guī)模的屋面高大模板支撐體系，需編制專項方案，并通過專家評審后方可實施，以此確保搭設過程的安全可控。

1.工程概況

南新涇泵閘工程上部涉及框架結構及屋面梁板結構，分安裝間、泵房、閘室三個區(qū)域。通過整理分析，最大支模高度23.5m，梁最大截面尺寸700mm＊1700mm，屋面為斜屋面，坡度為20度，具體上部結構形式如圖1。

圖1 上部框架結構總平面圖

屋面模板支撐體系采用扣件式鋼管腳手架及貝雷架，其中貝雷架主要作用是為上部滿堂腳手架提供穩(wěn)定堅實的基礎，避免滿堂架在水中搭設。架體位于主泵房和閘室位置，其中5.0m平臺和6.7m平臺位置為雙排作業(yè)架，泵房、閘室內為滿堂支撐架。其中，雙排作業(yè)架為普通模架區(qū)域，泵房閘室內滿堂架為高支模架區(qū)域。

圖5 閘室上部第一階段混凝土結構荷載

考慮到上部結構的復雜性，對上部結構分批次進行澆筑，具體流程如下：閘室框架結構施工至11.45m標高→閘室框架結構施工至16.2m標高→閘室屋面梁板結構施工至19.18m標高。

2.復雜工況條件

2.1 通水后影響

考慮到6月至9月為汛期，為保證汛期新涇港內防汛安全，工程于2021年6月30日拆除內外河圍堰，實現通水。通水后，閘室底板無法作為滿堂腳手架基礎，部分區(qū)段腳手架縱橫桿、剪刀撐搭設困難，如圖2內河側（紅色線框位置）及外河側（藍色線框位置）：

圖2 通水后腳手架搭設影響區(qū)域

2.2 閘門啟閉影響

閘室內工作閘門安裝完成后，進行了閘室全行程起閉實驗，實驗過程中發(fā)現圖3紅色線框范圍影響腳手架搭設。考慮到汛期閘門不定期全行程起閉，該區(qū)域無法搭設腳手架，需對該區(qū)域腳手架搭設進行調整。

圖3 閘門起閉影響區(qū)域

2.3 其他構筑物、設備影響

（1）閘室11.2m啟閉機平臺機架影響。腳手架搭設前已完成對閘室11.2m平臺啟閉機機架及液壓油站的安裝工作，該區(qū)域1.4m寬度范圍、15m長度范圍內腳手架立桿、橫桿需進行避讓。

（2）泵房12.61m橋式起重機影響。泵房內橋式起重機安裝在腳手架搭設之前完成，橋式其中機1.5m寬度范圍、長度16m范圍內腳手架立桿、橫桿搭設受到影響。

（3）上部框架結構柱影響。①考慮到結構柱施工先于梁板結構施工，結構柱施工考慮主楞（鋼管）、次楞（方木）及人員作業(yè)空間，其周邊需留出至少30cm距離，影響腳手架布置。②考慮到貝雷架橫跨閘室，兩端固定于閘室墩墻上，同時閘室墩墻部分位置存在現狀框架柱，二者存在沖突。貝雷架需避讓上部框架柱。

3.復雜工況條件下滿堂架設計

3.1 搭設位置選定

針對通水后內河側無腳手架搭設基礎的問題，計劃采用貝雷架橫跨閘室兩側墩墻，以貝雷架作為基礎，其上部搭設滿堂腳手架。考慮到現場實際作業(yè)條件，可供貝雷架搭設的位置有兩處：（1）墩墻8.30m標高位置（圖4藍色線框區(qū)域）；（2）14.50m標高KL6框架梁位置（圖4紅色線框區(qū)域）。

圖4 閘室貝雷架搭設區(qū)域比選

對這兩處搭設區(qū)域不利條件進行分析，具體如下：

（1）墩墻8.30m標高位置：

①受周邊KZ11柱影響，貝雷架總長度為13.2m，貝雷架標準節(jié)長度為3m，需定制加工非標準節(jié)，工期及成本增加；

②考慮到該位置墩墻已澆筑完成，貝雷架與墩墻之間無預埋固定措施，需植筋后再進行貝雷架搭設，對墩墻結構造成破壞，且對植筋抗拔提出更高要求；

③貝雷架搭設該位置，汛期工作閘門只能處于半起閉狀態(tài)，則閘門總重量（26噸）與11.2m平臺正上方屋面梁板結構荷載全部由11.2m啟閉機平臺梁板結構承受，無法保證啟閉機平臺結構安全。

（2）框架14.50mKL6梁位置：

①貝雷架上部框架及屋面結構荷載、架體荷載及貝雷架荷載全部傳遞至KL6梁，KL6梁截面尺寸400＊800mm，不能保證梁體安全和穩(wěn)定性。

②人員腳手架搭設作業(yè)高度超過7m，高處作業(yè)風險較高。

考慮到汛期閘門起閉要求，且KL 6梁未澆筑，可以與貝雷架之間采取預埋固定措施，最終確定框架14.5mKL6梁作為貝雷架基礎，但仍需要對方案進行優(yōu)化。

圖7 貝雷架應力分析圖

圖8 貝雷架變形分析圖

3.2 上部荷載確定

閘室上部框架及屋面梁板結構復雜，相應的屋面混凝土結構荷載計算難度較大。為保證上部荷載計算準確性，采用BIM技術，首先對上部框架結構及屋面梁板結構進行三維建模，然后利用Bentley切割功能，分階段計算上部混凝土體積。

上部凈荷載75噸，同時考慮施工荷載、人群、機具、材料等因素考慮10噸，共85噸荷載，按線荷載均勻加載到貝雷架上。

3.3 設計優(yōu)化

考慮到KL6梁承受上部荷載過大，在緊鄰KL 6 梁位置設置3根500直徑、壁厚10 mm 的鋼管，鋼管之間采用20號工字鋼連接。鋼管位置避開墩墻8.30m標高位置檢修人口。具體鋼管設置形式如圖6。

圖6 閘室上部貝雷架系統圖

3.4 安全計算負荷

為保證架體設計安全性和穩(wěn)定性，采用Madis Gen對貝雷架及下部鋼管支撐體系進行有限元計算分析。主要包括對支座反力、貝雷架強度、架體最大變形、架體撓度、支撐剪力、支撐強度的計算復核，復核結果均滿足規(guī)范要求。

4.堆載預壓

考慮到貝雷架材料、施工工藝存在偏差，為保證貝雷架安全性，同時減少貝雷架因受上部荷載作用而發(fā)生較大變形，影響工程質量。在貝雷架安裝到位后、上部腳手架搭設前進行堆載預壓。預壓依據《滿堂支架預壓技術規(guī)程》（JGJ/T194-2009）,支架預壓上部總荷載為混凝土結構恒載與模板支架荷載總和的1.1倍，即82.5噸。預壓計劃采用30號槽鋼（理論重量34kg/m），預計需420根。預壓區(qū)域為整個貝雷架范圍，即長度15m、寬度4m區(qū)域。堆載分三個階段加載，第一階段加載至41.25噸，第二階段加載至66噸，第三階段加載至82.5噸，加載過程中由跨度中間向兩側對撐加載。當支架頂部沉降觀測點12h沉降量平均值小于2mm時方可進行下一階段的加載工作。當各個沉降觀測點起始24小時平均沉降量小于1mm或起始72小時平均沉降量小于5mm，則支架預壓合格。

5.結語

南新涇泵閘工程高支模涉及作業(yè)范圍廣、難度大、安全風險高，為確保作業(yè)安全，通過先期對現場復雜工況作業(yè)條件分析，采取BIM技術、三維有限元分析、堆載預壓等方式，驗證鋼管腳手架及貝雷架搭設參數安全性，同時采用堆載預壓方式保證貝雷架安全穩(wěn)定性，為同類型泵閘屋面高支模施工提供了借鑒。