高空雙層斜面大跨混凝土挑檐結構的施工

李曉青

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

1 工程概況

中山大學深圳校區總建筑面積達到110萬 m2，共計36棟建筑，建筑高度20～100 m不等，建筑風格沿襲老校區紅磚外墻、綠瓦挑檐的建筑風格。以理工科組團為例，在距離地面約60 m的屋面上部設計有屋架層，屋架四周布置有懸挑屋檐結構（圖1）。大挑檐結構最大懸挑長度達到5.9 m，挑檐由雙層梁＋雙層板組成三角形斷面，組合后梁截面達到300 mm×（1 050～2 060）mm，底層板厚100 mm，頂部斜屋面板厚120 mm（圖2）。

圖1 理工科組團挑檐剖面示意

圖2 挑檐結構示意

2 工程特、難點

中山大學深圳校區各單體的大挑檐結構具備常規大挑檐的施工特點[1]：懸挑位置高度高，最高在100 m；懸挑長度長，最長超過5.9 m；懸挑結構截面大，懸挑梁截面高度最大達2 060 mm。此外，這些大挑檐還具有自身施工難點：挑檐結構多為雙層梁、雙層板，且上一層為斜梁斜板，工序復雜、危險性大；建設周期短，工期要求緊。

3 大挑檐支模鋼平臺方案比選

大挑檐下部模板支撐系統常規考慮有2種方案：落地支撐架方案、懸挑支撐方案。落地和懸挑的選擇多基于大挑檐的高度，高空挑檐只有懸挑可考慮。在早期工程實際中也有采用扣件式鋼管懸挑支撐架的做法[2-3]，但是隨著經濟的發展和行業對安全施工的要求越來越高，此類方法基本很難再付諸實踐，而多為搭設懸挑鋼平臺[4-7]，在鋼平臺上搭設模板支撐系統。根據鋼平臺的承載傳遞路徑，眾多鋼平臺的設計方案又總體可以分為3類：下撐式鋼平臺、上拉式鋼平臺、下撐上拉結合式。3種方案各自優缺點如下：

1）上拉式鋼平臺。優點是主受力斜拉桿受拉，穩定性更好；缺點是需要完成部分上部結構后方可設置拉結點，對工期不利，且斜拉桿件對排架搭設有一定影響。

2）下撐式鋼平臺。優點是斜撐在下部連接，操作方便；能較早完成架體，不影響上部結構施工；缺點是斜撐角度受到層高影響。斜撐桿件受壓，截面選型需要考慮長細比、穩定性。

3）下撐上拉結合鋼平臺。優點是在同樣的主梁截面情況下，承載力能更強；缺點是桿件更多，工序更為復雜。

結合背景工程的項目特點，分析并最終選擇下撐式鋼平臺，既可以更早地完成鋼平臺，也可選擇較為合適的斜撐角度，即不小于45°，在安全、進度、質量控制方面均為更優選擇，如圖3所示。

圖3 大挑檐鋼平臺剖面示意

4 大挑檐鋼平臺設計與計算

4.1鋼平臺設計

1）鋼平臺操作面：主要承載施工荷載，參照常規模板平臺，采用厚18 mm夾板＋50 mm×100 mm方木次龍骨平鋪搭建。

2）主龍骨（次梁）：考慮與方木、鋼平臺主梁連接，選擇采用工字鋼，間距根據挑檐下排架布置間距確定。

3）主梁：作為主受力桿件，選擇常見工字鋼或H型鋼為主要材料，截面根據外挑長度、間距、斜撐位置、上部荷載計算確定。

4）斜撐：選擇常見工字鋼或H型鋼為主要材料，截面根據斜撐長度、間距、角度、上部荷載等因素計算確定。

5）提高整體穩定性措施：平面內在斜撐中部設置斜拉桿連接主體結構，以減少斜撐長細比，提高穩定性；平面外在斜撐中部設置水平連系梁，每隔25 m及轉角位置設置剪刀撐，提高鋼平臺整體穩定性。

6）節點考慮：考慮項目的施工效率及后期周轉，主梁次梁節點采用螺栓連接，以便裝配式施工。主梁與結構采用類似懸挑腳手架的U形箍形式固定，以便安裝與拆除。

4.2鋼平臺計算

4.2.1 模型建立

根據上述設計原則建立鋼平臺整體模型，如圖4所示。

圖4 大挑檐鋼平臺有限元模型

4.2.2 邊界條件

1）主梁與結構均采用U形螺栓固定，定義為鉸接點。

2）主次梁節點：采用螺栓連接，定義為鉸接點。

3）主梁斜撐：采用多排高強螺栓，部分加焊，定義為剛接點。

4）斜撐與結構：焊接，定義為剛接點。

5）斜拉桿與結構：采用螺栓連接，定義為鉸接點。

4.2.3 荷載考慮

作為上部大挑檐施工的支撐平臺、操作平臺，鋼平臺的荷載主要有：大挑檐結構自重、混凝土澆筑施工荷載、模板支撐系統自重、腳手架自重、模板作業施工荷載。施工荷載為均布面荷載，結構及支撐系統自重分布不均，考慮最不利工況（在雙層梁下），具體布置如圖5所示。

圖5 鋼平臺主梁受力布置示意

5 雙層大挑檐施工技術

5.1大挑檐鋼平臺安裝流程

主梁、斜撐桿件及節點工廠加工→運輸至現場→現場鋼平臺框架（主梁＋斜撐作為一個安裝單元）地面拼裝→鋼平臺框架吊裝及固定（U形箍）→斜拉桿及水平連系桿安裝→次梁工字鋼安裝→鋼平臺操作平面鋪設

5.2大挑檐鋼平臺堆載試驗

5.2.1 目的與作用

大挑檐鋼平臺由于大懸挑、高空施工、大荷載等原因，其施工過程的安全、質量監控非常重要，因此堆載試驗非常重要。堆載試驗用來記錄荷載作用下，主梁的撓度、各連接節點變形、預埋件區域可能的混凝土裂縫發展情況，根據觀測數據結果分析，判斷結構支撐架需要額外考慮的預起拱大小、施工過程發生的變形是否滿足正常施工階段的使用要求以及是否滿足安全要求等。

5.2.2 試驗荷載與過程

選取堆載試驗區域（背景工程選擇懸挑長度最大的連續5跨區域，如圖6所示），根據大挑檐計算的總荷載（5跨范圍總荷載約640 kN），采用成捆螺紋鋼等配重方式，分為5級加載，控制每次加載為最終荷載的20%，每次配重起落后應等待1 min，人員方可到平臺上進行解扣作業。每級加載或卸載后應持續20 min，荷載穩定后進行撓度的測量、預埋件與鋼結構連接點觀測，然后進行下一級荷載的施加。加載完成24 h后，方可進行卸載試驗，卸載分為5級，每級卸載為最終荷載的20%。

圖6 試驗測點布置示意

在鋼平臺主梁懸挑末端底部設置位移觀測點；同時觀測主梁端部U形箍混凝土在試驗過程中是否出現裂縫及其發展情況，鋼結構各連接點變形情況如表1、表2所示。

表1 加載時各級荷載下的樓板各測點的端部變形值

表2 卸載時各級荷載下的樓板各測點的端部變形值

5.3大挑檐施工流程

為便于模板排架施工，減小施工荷載，將懸挑屋檐分為如圖7所示的3部分進行澆筑。

圖7 懸挑屋檐結構剖面示意

由圖可知，第1次澆筑范圍為大挑檐能夠搭設落地排架的施工區域。考慮到雙層梁底梁吊模難以澆筑混凝土，完成施工后進行懸挑屋檐下側板及水溝梁施工。然后進行雙層梁底梁施工，之后再進行其他區域施工。采用該順序，既保證鋼平臺的實際受力小于計算值，增加鋼平臺安全系數，又有利于挑檐混凝土質量控制，對進度影響也較小。

6 結語

鋼平臺設計時考慮斜撐對主梁的支撐點外留出一定的懸挑段，控制懸挑段受力與內部簡支段受力接近，可更高效地發揮主梁及斜撐的承載能力，既經濟又安全。

堆載試驗數據與計算的變形數據基本吻合，最不利工況的懸挑架體端部撓度在10 mm左右。但實際變形量更小，實際起拱在懸挑構件理論起拱的基礎上增量5 mm來控制。所述的大挑檐鋼平臺施工技術及雙層大挑檐施工流程在中山大學深圳建設工程得到運用，在10余棟高空雙層大挑檐的實施中，均取得了良好效果。