半圓拱形清水混凝土屋頂結構施工

吳自全 舒云聰 蔡希杰 彭佳勝 趙冰琦

深圳市鵬城建筑集團有限公司 廣東 深圳 518040

1 工程概況

新沙小學拆建教學多功能廳地上4層、地下2層，屋面結構橫截面為標準半圓形，外直徑13.86 m，縱向長17.4 m，無梁樓板，兩側3.765 m以下板厚為300 mm，以上為230 mm，內側面要求為清水混凝土木條紋飾面，外側面設計為有防水和保溫層的噴涂真石漆飾面層（圖1）。

圖1 多功能廳實景

2 重難點分析

2.1 設計唯一，施工投入相對較大

整個項目只有1棟此種設計的屋頂結構，體量小，只能一次施工完畢，支模用材料也只能使用一次，不具備周轉使用條件。

2.2 半圓形屋面板結構模板及支撐體系傳力復雜

半圓形屋頂結構兼具直形墻結構、斜屋面結構、平屋面結構特點，采用平面直角坐標系的模板支撐體系傳力復雜，受力分析難度大，采用極坐標系模板支撐體系傳力明確，但半圓尺寸相對較大，加工制作與安裝半圓形桁架胎架難度大，不可周轉使用的材料量大，浪費多，成本高。

2.3 混凝土無法對稱澆筑，支撐結構受力復雜

現場只能使用現有的塔吊進行垂直和水平運輸混凝土，且如果兩邊同時澆筑，第1次澆筑量達到40 m3，根據現場實測澆筑速度，每小時只能澆筑6斗混凝土，因塔吊限載，每斗只能澆筑0.7 m3，加上混凝土攪拌運輸車輛進出場交接時間，對稱澆筑一次需要10 h以上，對清水混凝土澆筑很不利，模板也容易在料斗落灰部位出現水泥漿斑塊，影響清水效果，所以最終決定采用單側澆筑方式。單側澆筑對支撐體系整體有一個側向水平力，而支撐體系在第1次澆筑時側向抗力能力差，易造成整體偏移，影響結構成形效果，所以需要重點控制側向位移量。

2.4 清水混凝土施工質量控制難度大

設計內側面為清水木條紋飾面，因結構不能一次澆筑，但模板和鋼筋需要一次性施工到位，若清水飾面模板保護不好、施工縫處理不當，將影響清水混凝土飾面效果。

3 施工方案比選

針對支撐體系復雜這個難點，考慮4種支撐體系方案，從施工難易和成本高低角度進行對比分析，擇優選擇[1-6]，各方案分析如下：

1）方案1。制作多個半圓形桁架胎架，可用鋼結構或木結構制作，直接安放在樓面上，上鋪模板支撐縱向次楞，其他做法類同（圖2）。優點是受力清晰、傳力簡單，安裝在樓面上精度高，缺點是制作復雜、制作精度要求高、材料用量大，而且現場工作面有限，拆除困難，只能使用一次，費用太高。

圖2 方案1

2）方案2。搭設部分支撐架，如至2/3半徑高度，其余制作拱形桁架胎架，胎架安放在支撐架上，其他做法相同（圖3）。優點是相對方案1減少了部分胎架材料，缺點是安裝精度控制難度大，拆除還是很困難，只能使用一次，費用較高。

圖3 方案2

3）方案3。制作全鋼內側半圓形大鋼框模板，模板采用鋼結構梁和立柱進行支撐或腳手架支撐（圖4）。優點是大鋼模尺寸加工準確、剛度好、吊裝方便，如果采用鋼結構梁柱進行支撐，支撐牢固，支撐結構受力相對清晰。缺點是結構太重，拆除不方便，且只能使用一次，費用太高。

圖4 方案3

4）方案4。只制作模板支撐體系中定型鋼背楞作為模板主楞，其他全部采用傳統支撐架和支模體系（圖5）。優點是材料獲得容易、操作簡單，除定型半圓形鋼背楞加工制作相對復雜以外，其他操作簡單，拆除相對方便，一次投入費用相對較少。缺點是支撐體系傳力相對復雜、理論分析煩瑣，只能用近似理論進行分析。

圖5 方案4

從施工成本控制以及施工難度角度考慮，選擇方案4比較合理。本方案投入的成本主要集中在定型鋼背楞上，其他都是可周轉材料，材料浪費少，成本低。

4 施工方案概述

如前面所述，本屋頂結構兼具3種結構類型，支撐系統分墻和板設計，考慮結構有變截面影響，混凝土分4次澆筑，澆筑順序見圖6，底部兩側不同時澆筑，中部兩側混凝土量相對較少，對稱澆筑，頂部一次對稱澆筑。

圖6 澆筑順序

支撐體系采用φ48 mm×3.2 mm扣件式鋼管腳手架，立桿縱橫間距800 mm，步距不大于1 500 mm，掃地桿250 mm。鋼背楞間距與立桿相同。外側模板采用915 mm×1 830 mm×16 mm膠合板，內側模底模采用1 215 mm×2 430 mm×9 mm膠合板，面鋪釘清水飾面木紋板，模板次楞采用50 mm×100 mm方木，外側主楞使用直徑25 mm螺紋鋼，內側面徑向主楞使用定制的半圓形10#工字鋼，縱向主楞使用扣件式雙鋼管。第1～3次澆筑位置采用雙側支模方式，配置φ14 mm高強三段式對拉螺桿，頂部采用單側支模方式（圖7）。

圖7 支模示意

混凝土采用插入式振搗棒振搗，雙面支模外側采用延遲拆模并在模板上澆筑水進行養護，頂部澆水并覆蓋麻袋養護。

內側模板拆除時，先拆除兩側較低部位的支撐架及模板，中間較高部位先松開頂托，卸下工字鋼對接處螺栓，部分不方便拆除的可直接用氣焊切成小段放到地面，再拆除模板和支撐架。

5 支撐體系受力分析

5.1 受力分析說明及假設條件

因分4次澆筑混凝土，結構受力需要按4種施工工況進行分析。其中，由于第2～4次混凝土澆筑時已有前面已澆筑混凝土的結構作為支撐體系側向支撐，且后續澆筑的樓板厚度變薄，相對安全，這里只對第1次單側澆筑混凝土時的工況進行分析。使用PKPM鋼結構二維設計模塊進行分析，作為臨時結構不考慮地震荷載，結構外圍設置有雙排腳手架掛網防護，所以也不考慮風荷載。所有構件均定義為柱結構，取縱向一跨（0.8 m）支撐體系作結構受力分析單元。在建模時需要作以下近似假設：

1）扣件式鋼管間連接近似為剛性連接，鋼管與鋼背楞、地面間連接為鉸接。

2）支撐設計有剪刀撐和斜撐，計算不考慮其有利影響，只作為構造加固措施。

3）頂托部位與鋼背楞連接區不計鋼管偏心受力，未使用頂托部位的立桿按偏心50 mm計算。

5.2 荷載取值

1）恒載只考慮混凝土結構和模板體系自重，以鋼背楞結構正上方混凝土結構和模板體系的自重計算，因配筋相對較大，按梁結構考慮，即混凝土自重按25.5 kN/m3計，鋼背楞按構件每節上方近似梯形的中線長度作為混凝土高度來計算混凝土自重，中線長度通過CAD圖直接量測，結果見圖8，模板體系自重按單面0.5 kN/m2、雙面1.0 kN/m2計。第1批混凝土澆筑時，除第3批澆筑區域外側模板沒有支設外，其他已安裝完畢，恒荷載簡圖見圖9。

圖8 鋼背楞上方混凝土計算高度值

圖9 恒載作用簡圖

2）因混凝土作為流體和振搗棒振動產生的對模板兩側的側壓力已通過對拉螺桿受力抵消，其對鋼背楞和支撐架體系影響忽略不計，施工活荷載只考慮澆筑部位傾倒混凝土時產生的施工荷載以及人員和施工設備荷載，分別取4 kN/m2和2.5 kN/m2，其他部位不具備人員和機械落腳點，忽略不計。活載只作用在澆筑口部位，標準值為（4＋2.5）×0.8＝5.2 kN/m。

5.3 計算結果

1）應力比：工字鋼應力比最大值為0.34，出現在與底部與樓面接觸的一段，鋼管應力比最大值為0.45，為最外側面立桿第2步架部分。

2）側向位移：在單側澆筑混凝土情況下，支撐體系的側向位移最大值為3.7 mm，另一側未澆筑混凝土部位產生側向位移最大值為2.7 mm，相對圓弧半徑偏差0.057%和0.040%，可以忽略不計。

3）支撐體系高寬比為0.5，小于2，穩定性滿足要求。鑒于以上分析，支撐體系設計滿足各施工工況要求。

6 關鍵技術實施

6.1 支撐架搭設

為提高鋼背楞安裝精度，支撐搭設時在地面放線定位立桿位置，特別是中間排立桿，其位置、垂直度和高度或標高按設計尺寸控制好，以保證鋼背楞有3個定位點，確保其形狀滿足圓弧形要求。第1道斜撐逐跨設置，其他斜撐和剪刀撐按每間隔4跨設置。

6.2 鋼背楞加工

工字鋼彎曲由專業加工廠使用專用機械加工成形，在地面劃線進行試拼接，確保工字鋼圓半徑偏差不大于10 mm。外側焊接放置方木用的短角鋼均從最底部按250 mm等間距布置，以保證方木安裝時的水平度，見圖10。

圖10 鋼背楞工廠加工

6.3 鋼背楞安裝

安裝前先在樓面彈好安裝位置控制線，鋼背楞在地面上組裝成半圓形后開始吊裝，先安裝結構兩端部位鋼背楞，底部與樓面采用膨脹螺栓固定，頂部架在已調整好標高的水平鋼管上，做法見圖11，使用十字扣件扣住鋼管并壓住工字鋼翼緣后，擰緊扣件螺栓，使工字鋼和水平鋼管連接成一體。在安裝其他工字鋼背楞前，先通過拉線調整各排立桿上水平桿安裝高度，因頂托上的水平桿除中間3排立桿可使用雙鋼管保證頂托不偏心受力外，其他只能安放單根水平桿架立鋼背楞。為保證水平架立鋼管處于頂托中心，也使用十字扣扣住鋼管和頂托板邊緣。處于最外側2排立桿與鋼背楞水平夾角過大，使用頂托時，其上的水平鋼管已無法固定，只能將水平架立鋼管直接扣接在立桿頂端離主節點高度不大于250 mm處，以減小立桿頂端因側向受力造成的彎矩應力，做法見圖12。

圖11 頂部臨時架立

圖12 立桿頂水平鋼管架立鋼背楞

6.4 清水條紋板安裝

底模采用9 mm厚膠合板順方木彎曲后用鐵釘釘在方木上，方木與鋼背楞間使用鐵絲綁扎牢固，做法見圖13。裝飾模板采用杉木制作的條形木紋板，標準長4 m，寬150 mm，厚度15 mm，在使用前澆水濕潤，含水率不大于15%，縱向接縫按2 m間距錯開，安裝時從一側底部沿弧形向另一側安裝，過程中通過拉線調整條形木紋板順直度，使用氣釘槍固定，釘間距150 mm，為防止翹曲，接頭氣釘加密，做法見圖14。

圖13 次楞方木與底模安裝

圖14 條形木紋板安裝

6.5 模板安裝與加固

半圓兩側變截面以下范圍按墻體結構采用雙側支模，外側采用普通16 mm厚膠合板，方木次楞水平向布置，間距不超過250 mm，使用雙φ25 mm鋼筋作為主楞，M16高強螺桿縱橫向間距500 mm×500 mm。螺桿采用三段式可拆卸帶膠杯頭的螺桿，旋緊螺母后，可彎曲的鋼筋主楞可將模板順鋼背楞彎曲成圓曲線，墻厚通過螺桿上的膠杯對撐進行控制。

6.6 鋼筋綁扎

1）鋼筋彎曲。鋼筋直徑最大為20 mm，可直接在現場順模板人工彎曲成形，墊好塑料墊塊后在弧頂區域搭接，接頭按25%接頭百分率錯開并綁扎牢固，做法見圖15。

圖15 鋼筋綁扎

2）鋼筋保護層墊塊。采用尊形塑料墊塊，用20#鐵絲與鋼筋綁扎牢固，防止掉落與翻轉，做法見圖16。

圖16 鋼筋保護層墊塊

6.7 混凝土澆筑與養護

澆筑混凝土前模板用水充分濕潤，板面垃圾清理干凈。混凝土從一端向另一端澆筑，澆筑時為防止混凝土遺灑，在模板頂部側面安放擋板，方便混凝土順利入模。采用插入式振搗棒振搗，單側模板面處由人工使用木抹子收面成形。當混凝土表面達到初凝時，及時噴水保濕養護。施工縫處的混凝土終凝后，用高壓水沖洗接縫處面層浮漿和模板上污染的水泥漿，以保證清水效果。現場澆筑混凝土方式見圖17。

圖17 混凝土澆筑

6.8 鋼背楞拆除

等頂部最后澆筑的混凝土強度達設計強度的100%后，拆除內側模板及其支撐。為方便人員進支撐架內操作和倒運材料，先拆除并清理最外側一排立桿，然后從一端向另一端逐根拆除鋼背楞對接處螺栓和地面錨固螺栓。鋼背楞長度過長影響拆除的，可用氣焊切割成方便人工搬運的小段，放置到地面清理出場地，再拆除模板，最后拆除支撐架。

6.9 施工安全措施

由于結構是半圓形，外架直立，其與結構間必須搭設從外架上懸挑的臨時操作平臺。為保證懸挑平臺的穩定性，在已支設的模板上設置懸挑端頭臨時支撐點，當支模、鋼筋綁扎和澆筑混凝土有影響時，要對支撐點進行移位，確保操作人員安全。安全防護做法見圖18。

圖18 外立面防護與操作平臺

7 實施效果

采用此方案減少了鋼材的消耗，且拆除方便，減輕了工人勞動強度。與采用傳統定型大鋼模相比，本工程降低造價約9萬元，降低比例達50%；現澆圓弧形結構尺寸精確，經實測圓半徑偏差小于10 mm，清水飾面條紋觀感質量好，獲得各方一致好評，取得了良好的社會與經濟效益。拆除模板后效果見圖19。

圖19 拆除模板后實物效果

8 結語

本工程實例應用說明，當設計有拱形現澆結構時，可以只制作與拱形形狀相同的型鋼模板主楞，采用傳統支撐腳手架作為模板支撐架，并采取本文中創新的架體與模板主楞連接方式，從而做到經濟合理，實施操作簡單，質量和安全有保障，值得類似工程借鑒。