高大支模工程輪轂式鋼管束柱裝配支撐體系設計與施工技術分析

姜超，范永雙，馬廣生，郭遠遠，孫振標，汪小偉

（中建八局第一建設有限公司，山東 濟南 250100）

0 引言

輪轂式鋼管束柱裝配支撐體系應用與研究項目是某公司2021 年度科學技術開發計劃項目之一，它是通過三弧卡子和螺栓將腳手架鋼管按照一定的間距環繞回收汽車鋼轂緊固而成的圓形柱（簡稱：束柱），再將若干輪轂鋼管束柱用腳手架鋼管和扣件組成支撐體系，用于建筑施工的高大模板、鋼結構安裝臨時支架和施工荷載超限時結構支撐體系等，項目完成研究并應用成功。尤其是在復旦大學附屬兒科醫院安徽兒童醫院新建工程中，該技術應用于中庭高大支模工程，效果十分顯著?，F將其設計和施工技術進行介紹，以供推廣應用。

1 高大支模工程輪轂式鋼管束柱裝配支撐體系設計

1.1 設計依據

國家現行相關規范、標準和輪轂式鋼管束柱裝配支撐體系研究成果。在輪轂式鋼管束柱裝配支撐體系研究成果中，項目研究試驗是主要依據，如表1 所示。

表1 試驗位移量較安全狀態數據統計表

1.2 束柱設計

輪轂式鋼管束柱根據支撐體系高度4～24m，主要由約束總成、盤型底座總成、承載頂盤總成和腳手架鋼管組成。柱高＞6m的用對接扣件將鋼管接長，接頭應錯開≮1m，同一斷面范圍內接頭根數不得＞50%且不相鄰。設計如圖1 所示。

圖1 輪轂式鋼管束柱三維示意圖

1.3 異形三弧金屬卡子設計

異形三弧金屬卡子是一種用于汽車鋼輪轂與鋼管之間連接的材質為Q410-10 的球墨鋼鑄件，兩個為一組合，一個設有M16 螺母內絲，并按照一定的間距焊于汽車鋼輪轂上，一個設有直徑18mm 通孔，通過5.8 級M16 螺栓將鋼管與鋼輪轂進行有效連接，形狀和尺寸應按照加工圖執行。加工圖如圖2、圖3、圖4所示。異形三弧金屬卡子兩只為一組，一只中孔制成M16 內絲，一只中孔制成直徑18mm 通孔，如圖5 所示。

圖2 異形三弧金屬卡子正視圖

圖3 異形三弧金屬卡子側視圖

圖4 異形三弧金屬卡子水平投影圖

圖5 異形三弧金屬卡子組合三維圖

1.4 約束總成設計

1.4.1 約束總成的組成和實現方法

約束總成由汽車鋼輪轂、異形三弧金屬卡子、連接螺栓三部分組成，其實現方法是將異形三弧金屬卡子按照一定間距和上下排列圍繞汽車鋼輪轂焊接而成，如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

圖6 約束總成正視圖

圖7 約束總成側視圖

圖8 約束總成水平投影圖

圖9 約束總成三維圖

1.4.2 鋼輪轂與異形三弧金屬卡子的焊接

異形三弧金屬卡子與鋼輪轂應圍焊，焊腳尺寸為4mm，焊條材質應為E5016。

1.5 承載頂盤總成設計

承載頂盤總成由承載鋼板、約束套管、高度微調螺桿螺母組成。承載鋼板為8mm 厚直徑鋼板或600mm 方形鋼板，中心部位設有直徑50mm 吊裝孔。約束套管為16根直徑48mm 長100mm的鋼管，按照一定的間距和相應位置焊接在承載鋼板上。高度微調螺桿螺母為16根直徑40mm 長350mm 的螺桿和相應螺母組合而成，螺桿上端插入約束套管內，螺桿下端插入束柱鋼管內。如圖10、圖11、圖12、圖13所示。

圖10 承載頂盤總成正視圖

圖11 承載頂盤總成側視圖

圖12 承載頂盤總成仰視圖

圖13 承載頂盤總成三維示意圖

1.6 盤型底座總成設計

盤型底座總成由鋼板、約束套管組成。鋼板為4mm 厚直徑鋼板或600mm 方形鋼板，中心部位設有直徑50mm 吊裝孔。約束套管為16 根直徑40mm 長50mm 的鋼管，按照一定的間距和相應位置焊接在鋼板上。如圖14、圖15、圖16、圖17所示。

圖14 盤型底座總成正視圖

圖15 盤型底座總成側視圖

圖16 盤型底座總成水平投影圖

圖17 盤型底座總成三維示意圖

1.7 “高大模板”工程輪轂式鋼管束柱支撐豎向體系設計

本支撐體系適用于高度4～24m 施工荷載15～135kN/m2的模板工程。其輪轂式鋼管束柱最大縱橫間距和體系設計應按表2執行。

表2 鋼管束柱最大間距和豎向支撐體系選用表

1.8 “高大模板”工程輪轂式鋼管束柱水平支撐部分設計

1.8.1 水平支撐部分的組成形式

水平支撐部分有角鋼桁架式、型鋼式、角鋼桁架（型鋼）與型鋼（角鋼桁架）混合式和貝雷架（片）。角鋼桁架式的每一種形式均由主桁架（主型鋼）和次桁架（次型鋼）組成。

圖18 支撐體系正視圖

圖19 支撐體系側視圖

圖20 支撐體系水平投影圖

圖21 支撐體系三維示意圖

圖22 支撐體系正視圖

圖23 支撐體系側視圖

圖24 支撐體系水平投影圖

圖25 支撐體系三維示意圖

圖26 支撐體系正視圖

圖27 支撐體系側視圖

圖28 支撐體系水平投影圖

圖29 支撐體系三維示意圖

圖30 支撐體系正視圖

圖31 支撐體系側視圖

圖32 支撐體系水平投影圖

圖33 支撐體系三維示意圖

圖34 支撐體系正視圖

圖35 支撐體系側視圖

圖36 支撐體系水平投影圖

圖37 支撐體系三維示意圖

圖38 支撐體系正視圖

圖39 支撐體系側視圖

圖40 支撐體系水平投影圖

圖41 支撐體系三維示意圖

1.8.2 水平支撐部分構造設計

角鋼桁架式應考慮在柱頂的通過性，宜選用下承式桁架，如圖42、圖43、圖44、圖45 所示，型鋼式水平支撐部分有H 型鋼、工字鋼和方鋼三種形式，如圖46、圖47、圖48、圖49 所示。當采用其它形式的水平支撐體系時，其基本形式不變，須按照一般模板工程支撐形式分為主、次梁（龍骨）并計算間距。

圖42 角鋼桁架式水平支撐部分正視圖

圖43 角鋼桁架式水平支撐部分側視圖

圖44 角鋼桁架式水平支撐部分水平投影圖

圖45 角鋼桁架式水平支撐部分三維示意圖

圖46 型鋼式水平支撐部分正視圖

圖47 型鋼式水平支撐部分側視圖

圖49 型鋼式水平支撐部分三維示意圖

1.8.3 貝雷架（片）

貝雷架（片）主要用于水平承載部分拼裝主梁，應采用檢驗合格的標準件。水平承載部分次梁的選用可依照第1.8.2 中“次型鋼混合式水平支撐部分”設計。

2 高大支模工程輪轂式鋼管束柱裝配支撐體系施工技術

2.1 “高大模板”工程輪轂式鋼管束柱支撐體系施工

2.1.1 工況分析與方案確定

施工前應針對建筑工程設計圖和施工總體部署的要求，認真進行工況分析再確定方案。工況分析主要應針對建筑構件的標高、軸線、幾何尺寸、重量、施工荷載、周邊環境、水平與垂直運輸機械選用、擬劃分施工流水段等進行分析，通過對工況的分析確定支撐體系的平面布置、體系搭設高度、施工流水段、工期計劃、需用材料數量、鋼管束柱組裝場地、水平運輸機械配備、垂直運輸機械配備、人力資源配備等，還應對支撐體系持力層進行驗算。

2.1.2 荷載計算

應根據工況分析與確定的方案計算荷載。支撐體系的水平承載部分應根據實際工況計算均布荷載或線荷載，支撐體系的豎向支撐部分所承受的荷載應將水平承載部分的均布荷載或線荷載換算成集中荷載?？偤奢d應包括構件自重、施工活荷載、支撐體系等。當支撐高度在8m 以下時，安全系數應選擇1.35，當支撐高度在8m 以上時，安全系數應選擇1.5。

2.1.3 支撐體系選用

根據2.1.1 的需求，支撐體系選型應依據第1.7節中相應的內容選定。

2.1.4 鋼管束柱組裝、吊裝安裝、體系搭設、模板支設

鋼管束柱組裝應根據2.1.1 中確定的平面布置、體系搭設高度、施工流水段、工期計劃、需用材料數量、鋼管束柱組裝場地進行。其組裝方法步驟如下。

①選場地

場地應平整、堅實、雨季無積水，須充分考慮原材料的堆放用地、組裝用地、碼放用地和水平運輸道路。

堆放用地面積應滿足不同長度鋼管分類堆放和配件分類堆放的條件，鋼管束柱組裝用地應滿足勞動力配備分組操作和組裝長度的需求（應大于組合柱長度的2m），碼放用地面積應根據組裝進度和吊裝進度的需求設定（碼放高度不得大于三層），水平運輸道路的寬度不得小于4m。

②彈線

按照鋼管束柱柱身長度測量出兩端點并在場地上標注，將兩端點連線并彈出柱身中心線，按照柱身總長度每1m（±0.05m）彈出與柱身中心線垂直的線段（線段長度約為1m）。

③放置約束總成

將鋼管束柱所需約束總成全部按照線段豎向放置并對準中心位置放置穩固。

④固定鋼管

按照約束總成上異形金屬三弧卡子的位置將每兩根鋼管為一組用螺栓擰緊，力矩控制在130N/m 左右，將柱身邊滾動邊安裝鋼管，依次全部安裝完畢。

⑤安放盤型底座總成

當柱身安裝完畢，先將盤型底座總成安裝在柱身一端作為下端，并臨時固定。

⑥鋼管束柱吊裝及體系搭設

鋼管束柱吊裝及體系搭設應同時進行。長度＜8m 的束柱可用不低于10kN升力的旋轉臂叉車插運和豎向放置；長度≥8m 的束柱，應用大型垂直運輸機械吊裝。體系的搭設應按照下列順序進行。

a.豎向支撐體系吊裝搭設一，當束柱高＜8m時，每吊裝就位一根束柱應將斜撐、水平拉桿安裝完畢再脫鉤。相鄰束柱吊裝就位后應與第一根束柱連接水平拉桿并安裝完斜撐再脫鉤，以此類推。在安裝斜撐、水平拉桿的同時應吊垂直。束柱間距≥5m 時，束柱與束柱之間可設置一根立管，用于防止水平拉桿下撓。

b.豎向支撐體系吊裝搭設二，當8m≤束柱高＜12m 時，每吊裝就位一根束柱應將斜撐、水平拉桿與已完成結構柱連接牢固后再脫鉤。相鄰束柱吊裝就位后待與第一根束柱連接水平拉桿、安裝斜撐與已完成結構柱連接牢固后再脫鉤，以此類推。在安裝斜撐、水平拉桿和與已完成結構柱連接的同時應吊垂直。束柱間距≥5m 時，束柱與束柱之間可設置一根立管，用于防止水平拉桿下撓。水平拉桿和與已完成結構柱連接桿可先連接上、中、下三點后再補裝其它連接桿，補連接桿應遵循先自下而上的原則。

c.豎向支撐體系吊裝搭設三，當12m≤束柱高＜24m 時，應呈梯級吊裝搭設，如圖50、圖51、圖52 所示。連接方法同b。呈梯級吊裝搭設時應至少兩排束柱為呈踏步狀，其搭設順序應先吊裝搭設Ⅰ段，依次吊裝搭設Ⅱ、Ⅲ段或Ⅳ段。當完成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段或Ⅳ后，再呈梯級自低向高吊裝搭設至所需高度。梯級吊裝搭設每節高度不宜大于12m。

圖50 第Ⅰ梯級段吊裝搭設三維示意圖

圖51 第Ⅱ梯級段吊裝搭設三維示意圖

圖52 第Ⅲ或Ⅳ梯級段吊裝搭設三維示意圖

d.梯級吊裝搭設豎向支撐體系束柱增高和調整，當采用梯級吊裝搭設，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段或Ⅳ段柱身接長時，若遇鋼管長度有誤差，可松動異形金屬三弧卡子調整鋼管長度，調整完畢擰緊螺栓。當多根鋼管長度有誤差時，應逐一調整，嚴禁同時松動相鄰2 根以上鋼管調整長度。豎向支撐體系增高時，每增高一步其約束桿、水平拉結桿、斜撐或剪刀撐應同步搭設，嚴禁將束柱單獨增高。

e.豎向支撐體系吊裝搭設完畢再安裝承載頂盤總成，并按設計標高微調準確。

f.吊裝水平支撐體系(角鋼桁架、型鋼、貝雷片)應根據選擇的連接方式不同，當通過螺栓與承載頂盤總成鋼板連接時，數量不得少于4根M14螺栓，次龍骨與角鋼桁架、型鋼、貝雷片應牢固。

g.模板支設。模板支設應在豎向支撐體系和水平支撐體系完成后進行，支設方法同一般模板支設方法相同。

2.1.5 模板及支撐體系拆除

模板及支撐體系拆除應按照下列步驟進行。

①先向下微調承載頂盤總成將模板拆除。

②拆除承載頂盤總成。

③拆除單元束柱。從一端將即將拆除的束柱用繩子先固定在相鄰束柱上，然后將水平拉接桿與已完成結構柱連接桿、剪刀撐、斜撐拆除，用滑輪或倒鏈緩緩將束柱向無障礙方放平，水平運出。當空間不足時，可將較長的束柱解成若干段放平或直接將束柱解體。以此類推，直至全部完成。

④運儲。當拆除的束柱需要再次周轉時，應用機械運至指定地點，重復使用；當無需周轉時，應將束柱全部解體，并將鋼管、約束總成、承載頂盤總成、盤型底座、異形金屬三弧卡子、鋼管扣件、螺栓分類運儲。入庫前應將約束總成上所焊接的異形金屬三弧卡子絲牙部分、扣件螺桿等做防腐潤滑保護。

⑤束柱吊裝時，吊點應設置在上端1/4 處，鋼絲繩應采用捆綁式，嚴禁從束柱橫向穿過鋼絲繩起吊。

⑥當作為預應力構件等有卸載規定的支撐體系時，其拆除的順序還應符合卸載的程序需求。

3 結語

高大支模工程輪轂式鋼管束柱裝配支撐體系的設計與施工綜合技術，在復旦大學附屬兒科醫院安徽醫院工程應用表明，其安全可靠、適用廣泛、經濟性較好、節材環保。安全性和可靠性體現在體系結構合理、承載力大以及可將部分立體高空作業在平面完成組裝，適用廣泛體現在可用以高大支模工程，經濟性較好體現在可機械化施工、降低勞動強度、提高工作效率，節材環保體現在可利用再生物資和拓展市場現有物資利用空間和效率，具有很好的推廣和應用前景。