93m高懸空弧形梁模板支撐系統(tǒng)設(shè)計與施工【摘要】本文對深圳***********工程屋頂懸空弧形梁模板支撐系統(tǒng)進行了介紹，對鋼桁架平臺作了內(nèi)力分析計算，重點闡述了鋼桁架平臺制作和安裝、拆除的施工方法?！娟P(guān)鍵詞】鋼桁架焊接吊裝模板支撐

深圳***********工程地處深圳市****南，為１棟30層高層住宅，鋼筋混凝土框支剪力墻結(jié)構(gòu)，層高2.8m，屋面板結(jié)構(gòu)頂標高89.37m，總建筑面積19209.65m2。該工程屋面以上南北兩側(cè)（梁底標高為93.00m處）各設(shè)計有一個懸空弧形構(gòu)架，其中南側(cè)弧形構(gòu)架懸空跨度較大，構(gòu)架平面圖如圖1所示。17a～21a軸、Fa～Ka軸構(gòu)架模板及其支撐系統(tǒng)可直接支承于屋面板上，支模高度4.23m（屋面板頂至弧形梁頂）。弧形梁21a×Fa軸～26a×Aa軸部分（外圍最大弧長12.75m）距地高度93.90m，其模板及支撐系統(tǒng)在外側(cè)和底部無任何防護結(jié)構(gòu)，安全要求高，施工難度大。為確保該部位弧形構(gòu)架施工能安全、順利地進行，綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、安全可靠、經(jīng)濟成本等各方面因素，需精心設(shè)計模板支撐系統(tǒng)。1支撐系統(tǒng)的設(shè)計與計算1.1方案設(shè)計

由于弧形構(gòu)架梁的懸空高度達到93.90m，不可能采用一撐到底的滿堂支撐系統(tǒng)，經(jīng)過多種方案比較，最終采用在懸空部位架設(shè)鋼桁架施工平臺，然后借助于施工平臺進行上部弧形構(gòu)架結(jié)構(gòu)施工的方案。此處重點對懸空跨度較大的南側(cè)鋼桁架平臺進行設(shè)計。首先，在屋面層即標高89.37m處架設(shè)鋼桁架，桁架用I20b工字鋼及[10槽鋼焊接而成，上下弦桿用I20b，腹桿采用[10雙槽鋼背對背焊接，腹桿開口沿弦桿長度方向，在加工時認真放樣，確保弦桿、腹桿的形心匯交于一點。每側(cè)弧形構(gòu)架使用2榀桁架。桁架詳圖見圖3。每榀桁架焊接成2個半榀，運至現(xiàn)場拼裝。桁架上弦桿與屋面結(jié)構(gòu)預埋件可靠焊接。桁架安裝焊接完畢后，垂直于桁架長邊方向每747mm鋪1根I12.6工字鋼擱柵（桁架跨中3個節(jié)點各鋪1根I16工字鋼），工字鋼外端出外圓弧1m，內(nèi)端一直延伸至結(jié)構(gòu)邊，穿入已預埋的∩形卡中，加焊Ф20鋼筋，工字鋼與桁架接觸處焊接連接。鋼桁架支撐平臺平面圖見圖2。工字鋼擱柵安裝完畢后，立即進行工字鋼部位的女兒墻結(jié)構(gòu)的施工，再次確保工字鋼擱柵不發(fā)生失穩(wěn)。在工字鋼擱柵上滿扎大眼安全網(wǎng)，而后滿鋪鋼笆片，與工字鋼扎牢，再滿扎密目式安全網(wǎng)。施工平臺安裝完畢，搭設(shè)滿堂鋼管支撐作為弧形構(gòu)架的支撐系統(tǒng)，在工字鋼擱柵上的立桿部位焊接50mm高Ф25鋼筋內(nèi)膽。1.2受力計算

計算簡圖和內(nèi)力分析

考慮最不利荷載，驗算弧形構(gòu)架梁下的外側(cè)鋼桁架。桁架各桿件的內(nèi)力按鉸接分析計算，桁架對稱，只計算左側(cè)一半，計算簡圖如圖4。桁架內(nèi)力計算結(jié)果如表1，型鋼規(guī)格如表2。注：★為內(nèi)力最大的驗算值；☆為螺栓連接桿件驗算值。荷載計算

①靜載

外側(cè)弧梁砼：0.35×0.6×12.75×24=64.3KN

（弧長計算：10.983×3.14×2×66/360=12.75m）

內(nèi)側(cè)弧梁砼：0.35×0.6×10×24=50.4KN

（弧長計算：9.233×3.14×2×62/360=10m）

次梁砼：0.2×0.3×1.4×13×24=26.2KN

梁鋼筋：1.5×5.87=8.8KN

模板及支撐系統(tǒng)：（0.75+0.25）×23.3=23.3KN

I12.6工字鋼擱柵:0.142×(1.7/2+2.82)×15=7.8KN

鋼笆片、安全網(wǎng)：0.079×23.3/0.8=2.3KN

單排腳手架：（5.162×15+12.75×5）×0.0376+5×0.0132×15=6.3KN

立桿水平桿扣件

桁架自重：10.9+0.8=11.7KN

合計：201.1KN

②活載

施工人員及設(shè)備荷載標準值取均勻荷載2.0KN/m2

荷載組合：q=201.1×1.2+2.0×23.3×1.4=306.6KN

則，P=306.6/15=20.4KN

1.2.3上弦桿驗算(I20b)

⑴正應力驗算

a、壓桿GH(I20b)：λ=l0/i=747/79.6=9.4

查《建筑施工計算手冊》附表2-60，得?=0.996

N=29.38×20.4=599.4KN

=599.4×103/0.996×39.5×102=152.4<215N/mm2，可靠。

b、壓桿EF(I20b)：λ=l0/i=747/79.6=9.4

查《建筑施工計算手冊》附表2-60，得?=0.996

N=25.66×20.4=523.5KN

扣除M20高強螺栓孔所占面積22×7×2=308mm2，A=39.5-3.08=36.42cm2。

=523.5×103/0.996×36.42×102=144.3<215N/mm2，可靠。

⑵剪應力驗算

A點支反力為7.5P=7.5×20.4=153.0KN，

τmax=QSxmax/Ixd，其中Q=153.0KN，Ix/Sxmax=16.9cm

τmax=153.0×1000/（169×9）=100.6N/mm2<125N/mm2

安全可靠。

1.2.4下弦桿驗算(I20b)

拉桿MN：N=29.75×20.4=606.9KN

σ=N/A=606.9×103/39.5×102=153.6<215N/mm2，可靠。

1.2.5腹桿驗算(2[10)

⑴壓桿JC

l0=(7472+8002)1/2=1094.5mm，λ=l0/i=1094.5/39.5=27.7

查《建筑施工計算手冊》附表2-60，得?=0.967

N=8.89×20.4=181.4KN

=181.4×103/0.967×25.48×102=73.6<215N/mm2，可靠。

⑵拉桿AJ：N=10.26×20.4=209.3KN

σ=N/A=209.3×103/25.48×102=82.1<215N/mm2，可靠。

⑶拉桿EL：N=4.78×20.4=97.5KN

扣除M20高強螺栓孔所占面積22×5.3×4=466.4mm2，A=25.48-4.66=20.82mm2。

σ=N/A=97.5×103/20.82×102=46.8<215N/mm2，可靠。

1.2.6焊縫驗算

從內(nèi)力計算結(jié)果表上來看，桿件AJ在A點處承受最不利荷載。

FA水=7.0P，F(xiàn)A豎=7.5P，焊縫高度為7mm

σf=N/(he∑Lw)=7.5×20.4×103/[7×(48×2/cos43°-10)×2]=90.1N/mm2<160N/mm2

τf=N/(he∑Lw)=7.0×20.4×103/[0.7×7×(48×2/cos43°-10)×2]=120.2N/mm2<160N/mm2

βf=1.22

=[(90.1/1.22)2+120.22]1/2=141.1N/mm2<160N/mm2，焊縫安全。

1.2.7工字鋼擱柵驗算（按I12.6工字鋼驗算）

工字鋼擱柵伸出桁架，一端懸挑，為純受彎構(gòu)件，桁架跨中部位工字鋼挑出長度為2.82m，承受最不利荷載。驗算簡圖如圖4。

各部位自重及對A支座彎矩計算列表如下：部位自重(KN)力臂(m)對A支座彎矩(KNmm)外腳手架N1=6.3×11.2÷155=0.5002.82M1=0.50××2.82==1.41外側(cè)弧形梁砼N2=64.3××1.2÷115=5.1141.7M2=5.14××1.7=88.74次梁砼N3=26.2××1.2÷115=2.110.85M3=2.10××0.85==1.79梁鋼筋N4=8.8×11.2÷155=0.71.09M4=0.70××1.09==0.76模板及支撐系統(tǒng)N5=23.3××1.2÷115=1.8861.09M5=1.86××1.09==2.03鋼笆、安全網(wǎng)N6=2.3×11.2÷155=0.1881.09M6=0.18××1.09==0.20施工活荷載N7=2×23..3×1.44÷15=44.351.41M7=4.35××1.41==6.13合計14.83

∑M=21.06

⑴工字鋼擱柵抗剪強度。工字鋼截面梁，主要驗算腹板上任一點處的剪應力τ，因為翼緣上的最大剪應力小于腹板上的τmax，所以不必驗算。

τmax=QSxmax/Ixd，其中Q=14.83KN，Ix/Sxmax=10.85cm

τmax=14.83×1000/（108.5×5）=27.3N/mm2<125N/mm2，安全可靠。

⑵工字鋼擱柵抗彎強度

M=21.06KNm

σ=M/γW=21.06×106/(1.2×77.53×103)=226.4>215N/mm2，不安全。

按I16工字鋼驗算

σ/=M/γW/=21.06×106/(1.2×141×103)=124.5<215N/mm2，安全，可靠。故桁架跨中3個節(jié)點上各鋪1根I16工字鋼擱柵。

⑶工字鋼擱柵撓度驗算(按I16工字鋼驗算)

撓度υ=Na2(3l-a)/6EI，其中，l=2820mm，3l=8460mm；

a—集中力作用點距A支座的力臂，mm。

6EI=6×206×1130×104=14.0×109KNmm2

a、驗算由全部荷載標準值產(chǎn)生的撓度υT。

υT1=N1a12(3l-a1)/6EI=0.50×2×28203/1.2×14.0×109=1.33mm

υT2=N2a22(3l-a2)/6EI=5.14×17002×(8460-1700)/1.2×14.0×109=6.0mm

υT3=N3a32(3l-a3)/6EI=2.1×8502×(8460-850)/1.2×14.0×109=0.69mm

υT4+υT5+υT6=(N4+N5+N6)a42(3l-a4)/6EI

=(0.7+1.86+0.18)×10902×(8460-1090)/1.2×14.0×109=1.4mm

υT7=N7a42(3l-a4)/6EI=4.35×10902×(8460-1090)/1.4×14.0×109=1.9mm

則，υT=υT1+υT2+υT3+υT4+υT5+υT6+υT7=1.33+6.0+0.69+1.4+1.9

=11.32mm<[υT]=L/400=2820×2/400=14.1mm，安全，可靠

b、驗算可變荷載標準值產(chǎn)生的撓度υQ。

υQ=υT7=1.9mm<[υQ]=L/500=2820×2/500=11.3mm，安全可靠。

⑷B點焊縫抗拉強度

B點焊縫高度5mm，長50mm。

根據(jù)力學平衡方程∑M=NB×1700得出NB=21.06×103/1700=12.4KN

σf=NB/(he∑Iw)=12.4×103/[5×(50-10)×2]=31.0N/mm2<160N/mm2，焊縫安全。

南側(cè)桁架預埋件所在梁WKL2(1)結(jié)構(gòu)承載力驗算

折梁WKL2(1)，截面尺寸為200×570，受拉區(qū)和受壓區(qū)配筋均為2Φ22，混凝土強度等級C30。

As=760mm2

ρ=AS/bho=760/200×（570-37）=0.007>0.15%

ζ=ρfy/fcm=0.007×310/16.5=0.132<ζb=0.544

滿足適用條件，查表αS=0.121

則，設(shè)計承受彎矩M=αSfcmbho2=0.121×16.5×200×（570-37）2=112.5×106Nmm=112.5KNm

實際承受彎矩M′=M1+M2

①來自桁架的彎矩M1=P1L1=7.5×20.4×0.206=31.5KNm（如圖FT-8，L1=0.206m）

②來自折梁的彎矩M2=P2L2

其中L2=1.5m，P2=0.2×0.57×3×（24+1.5）×1.2=10.5KN

M2=P2L2=10.5×1.5=15.8KNm，則實際承受彎矩M′=M1+M2=31.5+15.8=47.3<M=112.5KNm，安全可靠。

1.2.9螺栓計算

2個半榀桁架之間的拼接采用摩擦型高強螺栓連接。高強螺栓采用10.9級M20高強大六角螺栓。

⑴上弦桿EF，N=25.66×20.4=523.5KN

Nyb=0.9nfμP=0.9×2×0.3×155=83.7KN

連接邊需要高強螺栓數(shù)量n為n=N/Nyb=523.5/83.7=6.3，用10個。

故連接兩邊共需要高強螺栓數(shù)量為2×10=20個。

⑵腹桿EL，N=4.78P=4.78×20.4=97.9KN

Nyb=0.9nfμP=0.9×4×0.3×155=167.4KN

連接邊需要高強螺栓數(shù)量n為n=N/Nyb=97.9/167.4=0.6，用1個。

故連接四邊共需要高強螺栓數(shù)量為4×1=4個。

現(xiàn)場拼接后，在連接部位采用10厚節(jié)點板四邊圍焊，作為安全儲備。2材料和設(shè)備要求方案中選用的各種建筑材料必須有出廠合格證明,應符合國家及主管部門頒發(fā)的產(chǎn)品標準,并符合方案要求。

2.1鋼管

立桿、斜桿、橫桿均采用Ф48×3.5普通焊接鋼管，鋼管必須有出廠合格證，兩端切口需平直，不得有斜口、毛口、卷口等現(xiàn)象，更不得使用銹蝕、彎曲、壓扁、裂縫的鋼管?？奂谑褂们氨仨氝M行檢查、保養(yǎng)，不得有變形、滑絲裂縫以及其它不允許的缺陷，扣件要有出廠合格證。

2.2模板

采用優(yōu)質(zhì)18mm厚膠合板，50×100木枋，要求大面尺寸一致，小面不變形、無死節(jié)、無斷裂。安全網(wǎng)必須有出廠合格證和深圳市安監(jiān)站頒發(fā)的準用證，不得使用已經(jīng)腐爛或破損嚴重的安全網(wǎng)，當對其質(zhì)量有懷疑時，要做沖切破壞試驗。腳手板采用鋼笆片，鋼笆片采用Φ10和Φ6圓鋼點焊制成。規(guī)格為800×1000mm，每塊重7.9kg。

2.3型鋼、鋼板

Q235，f=215N/mm2。電焊條采用E43型焊條，焊條必須具有出廠質(zhì)量證明書。如須改動焊條型號，必須征得編制人的同意。嚴禁使用過期、藥皮脫落、焊芯生銹的焊條。焊接前將焊條進行烘焙處理。所有焊縫均為二級焊縫。

2.4設(shè)備

本工程塔吊型號為“川建C5015”，回轉(zhuǎn)半徑30m，額定起重力矩80tm，最大起重量8t。最小幅度2.9m，起重量8t；最大幅度30m，起重量2.84t。一榀桁架最重為1.01t，在塔吊安全使用范圍內(nèi)。3施工工藝3.1桁架焊接施工及加載試驗

焊接

3.1.1.1型鋼加工時應根據(jù)工藝要求預放焊接余量以及切割、刨邊和銑平的加工余量。腹桿端部冼平，焊縫區(qū)表面的毛刺、銹、油污清除干凈,使鋼材表面露出銀灰色。施焊前，要復查焊縫區(qū)的處理情況，如不符合要求，修整合格后方可施焊。構(gòu)件上螺栓孔必須預先沖或鉆好,不允許現(xiàn)場燒孔.

焊條使用前必須按照質(zhì)量證明書的規(guī)定進行烘焙。

3.1.1.2焊縫出現(xiàn)裂紋時，焊工不得擅自處理，須申報技術(shù)負責人查清原因，訂出修補措施后才可處理。

3.1.1.3嚴禁在焊縫區(qū)以外的母材上打火引弧，在坡口內(nèi)起弧的局部面積應熔焊依次，不得留下弧坑。焊件兩端應配置引弧板，其材質(zhì)和坡口形式應與構(gòu)件相同。焊接完畢用氣焊割除并修磨平整，不得用錘擊落。

3.1.1.4為了減少焊接變形與應力，采取如下措施：

⑴焊接時盡量使焊縫能自由變形，焊接要從中間向四周對稱焊接。

⑵收縮量大的焊縫應先焊接。

3.1.1.5為減少下料誤差及確保桁架的順利安裝就位，在下料前至

現(xiàn)場實際測量預埋件之間的距離。

3.1.2桁架加載試驗

桁架焊接完成后，在基地預拼裝進行加載試驗。將一對桁架連

成空間體系按方案間距每榀兩端懸空擱置在角鋼支架上（角鋼支架采用8×8等邊角鋼焊接而成，上口焊接10厚鋼板，角鋼支架示意圖如圖5所示），上鋪工字鋼擱柵，向上累加塔吊標準節(jié)(重量990kg/節(jié))和塔吊配重（1.64T/塊），慢慢加至方案荷載，靜至一天，認真檢查焊縫、撓度，(圖5角鋼支架示意圖)試驗合格后運至現(xiàn)場拼裝。試驗方法如下：

⑴試驗荷載計算和取值

荷載組合后的標準值q=297.6KN，扣除工字鋼擱柵及桁架自重，荷載設(shè)計值為297.6-（8+10.1）×1.2=297.6-21.72=276KN。

由于該桁架為臨時性結(jié)構(gòu)而且還要在工程中使用，故以荷載設(shè)計值為試驗值。

⑵加載步驟：

第一步：增加方案設(shè)計外力的25%；

第二步：增加設(shè)計外力的25%；

第三步：增加設(shè)計外力的25%；

第四步：增加設(shè)計外力的25%；

共增至設(shè)計荷載的100%，施加荷載時要均勻增加，每步之間的間隔時間為1小時。進行一～三步加荷時對桁架進行觀察，如果桁架有明顯撓度、焊縫破壞等異常情況，應停止加荷，經(jīng)查明原因后，再進行試驗，直至一切正常為止。次日24小時后卸載，記錄整理沉降變形結(jié)果。卸載分四步，每步卸載設(shè)計外力的25%，每步之間的間隔時間為1小時。

⑶撓度觀測：

依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003），受彎構(gòu)件的撓度容許值的規(guī)定。對于南側(cè)桁架，加載前在下弦桿中心線位置拉一道水平細線，并在跨中劃上標志線，加載到位后測量標志線與水平細線之間的距離，即桁架的實際撓度；對于北側(cè)桁架，加載前在下弦桿中心線位置拉一道水平細線，觀測方法同南側(cè)桁架。實際撓度與梁跨長的比值限制在1/400（即小于30mm），同時委托材料試驗公司試驗，在支座上和跨中的下弦底部分別布置百分尺測量荷載變形曲線。。

桁架焊接完成后必須涂刷防銹漆，焊縫區(qū)表面的毛刺、銹、油污清除干凈,防銹底漆采用紅丹性油性防銹漆涂刷兩遍。

3.2鋼桁架平臺施工

預埋件施工

在30層墻柱模板和30屋面梁模板施工時，按方案要求預先在結(jié)構(gòu)的相應位置埋設(shè)鐵件。預埋件的制作必須嚴格按照方案的要求進行，在預埋時要仔細定位并用水準儀進行抄平，在混凝土澆筑過程中由專人負責檢查，避免移位。

在30層～29層21a×Aa，26a×Fa，A1a×3a，B1a×4a梁端下各設(shè)置4根頂撐把部分荷載傳遞到下層結(jié)構(gòu)。

3.2.2桁架安裝就位

待30層結(jié)構(gòu)混凝土達到設(shè)計強度，進行桁架的安裝就位。先將內(nèi)側(cè)桁架吊裝就位并焊接后，再吊裝外側(cè)桁架。為防止桁架平面外失穩(wěn)，增強鋼平臺的整體穩(wěn)定性，兩榀桁架下弦桿用[8槽鋼焊接連接，槽鋼成之字型，與下弦桿角度為45°，置于下弦桿上側(cè)。

3.2.3施工平臺搭設(shè)

桁架安裝就位后即進行施工平臺的搭設(shè)。在垂直于桁架長邊方向每個節(jié)點上鋪1根I12.6（桁架跨中3個節(jié)點各鋪1根I16工字鋼），工字鋼外端出外圓弧1m，內(nèi)端一直延伸至結(jié)構(gòu)邊，工字鋼與桁架接觸處焊接連接。工字鋼穿入已預埋的∩形卡中，加焊Ф20鋼筋。在工字鋼上滿扎大眼安全網(wǎng)，而后滿鋪鋼笆片，與工字鋼扎牢，再滿扎密目式安全網(wǎng)。

3.3模板及支撐系統(tǒng)施工

采用十八厚膠合板模板及鋼管排架支撐系統(tǒng)。排架立

桿位于工字鋼擱柵上，在工字鋼上的立桿位置焊接50mm高Ф25鋼筋內(nèi)膽,下設(shè)水平掃地桿。排架間距：沿桁架長度方向為747，垂直于桁架長度方向設(shè)4排立桿。水平管上設(shè)50×100木枋，沿半徑布置，外側(cè)間距<400mm。

安裝模板前應把模板面清理干凈，并刷好脫模劑，脫模劑應涂刷均勻，不得漏刷，并按規(guī)格堆放。梁底模板：按設(shè)計標高調(diào)整支撐的標高，然后安裝梁底模板，并拉線找平，主梁跨中梁底處按主梁跨度的千分之三起拱，次梁不起拱。主梁底立桿高度為3.47m，設(shè)二道水平拉桿和剪刀撐，并與墻柱頂牢。梁側(cè)模板：根據(jù)墨線安裝梁側(cè)模板，壓腳板等。梁側(cè)模板制作高度應根據(jù)梁高及樓板厚度來