悬空大倾斜结构模架设计与应用

1、悬空大倾斜结构模架设计与应用 摘要 陕西法门寺合十舍利塔主塔施工中，上部悬空大倾斜结构的模架方案设计与应用为整个工程施工的关键技术之一。针对工程的特点，集合了各种模架技术的优点，通过设计计算和现场试验，大胆创新，采用“自升大模板施工工艺，连续错台分步悬挑架防护体系”的方法，安全高效地完成了该异形结构的钢筋混凝土主体工程。【关键词】悬空倾斜结构 自升式大模板 错台分步悬挑架法门寺合十舍利塔工程，是一个以现代技术融合古今中外建筑精华，传承佛教特色，为佛指舍利安奉供养和瞻礼中心及二十一世纪世界佛教文化中心的大型建筑。总建筑面积为76690m2，地下一层，地上十一层，工程总高147 m。主塔为双手合十

2、的特殊造型，气势恢宏，造型新颖，为近年国内设计标准较高的大型建筑。1. 工程结构概况主塔双手合十造型由下往上分为手腕：由一层24 m高的框筒直墙与其上外墙向内收缩的台形框筒（高20m，两层）组成，合计高度44m；手掌：各有平面为54m×19m的筒状结构，倾角为54。向外倾斜至标高74处。该结构施工段完全呈悬挑状态，外墙面最大水平悬挑跨度达21.72；手指：由标高74处又向内倾角为54。倾斜至标高127。该前段施工亦呈悬挑状态，后在双手内侧指间由许愿台和牟尼珠将其连接成拱形结构。各施工段均各有其施工关键技术特点和难点，本文所叙述的内容，主要指标高44以上在悬挑倾斜结构，尤其是针对447

3、4阶段外墙中的凌空模架设计与应用，成为整个主体工程施工的关键技术之一。见图一所示。 图一 主塔正立剖面示意图由工程概况得知，主塔上部的模架工艺设计面对的是国内罕见的结构类型，它不同于一般的高耸构筑物，也不同于墙桅结构。其难点主要表现在以下几个方面：主体工程为型钢钢筋混凝土组合结构，其钢骨含量尚不足10，仅依靠钢结构还不足以承载工程自身及施工荷载的要求。主体施工方案要求钢结构施工最大超前钢筋混凝土施工两层，形成多工序立体交叉作业，对模板及外架工程的施工环境有着非常大的影响。结构件均显现高、大、厚、重的特征。标准层高10，夹层高5，一次施工高度5，斜高超过6.1，外墙厚度700，墙与楼板一次施工。

4、钢结构、钢筋和混凝土分别同步施工，垂直作业面超过20，外墙面悬挑水平投影跨度超过20，无法利用塔吊吊运大模板。对空中高大模板强度、运输及其支撑防护体系的可靠性设计都存在着极大困难。工程设计中为减轻上部荷载，在手掌内外中部部分设计为空腔墙体和指缝处有留洞造型，对于在此预埋承重铁件将是非常困难的。工期紧。建设单位要求主体工程在六个月内施工完。对于巨大的工程量来说，在一般的工程中完成都是非常紧张的，何况这是一项超常规设计的复杂工程。国内没有成熟的模架技术。大面积、大体积、大流动性混凝土产生的侧压力存在着对施工环境的安全威胁，以及作业面上大量施工人员的安全防护，也是模架设计中对科学合理性要解决的技术难

5、题。2. 模架方案选择 综合工程特点和施工条件，对模板及支撑体系和防护体系的设计要求须遵循三个原则：为保证百年工程的质量要求，必须采用大模板施工工艺进行设计；大模板施工过程中的支撑体系和运输问题要通过自身系统来解决；外架防护体系在确保施工人员安全的前提下，要最大限度地覆盖整个施工面，并对模板的临时支撑给予辅助支持。根据以上三项原则，从当前国内外应用的模架技术中初步筛选出液压爬模、爬架提模、落地满堂架支模和悬挑架支模等作为设计和应用的备选方案。通过在市场上对备选方案进行技术调研，如对CCTV新台址、西安产灞生态区行政中心、宝鸡代家湾渭河大桥斜桅塔、杨浦大桥悬拉索主塔等有关带有高大倾斜结构工程的考

6、察研究后发现，这几项工程所采用的模架工艺在本工程应用中均有不同程度的缺陷。如目前技术应用较为先进的液压爬模，已施工过许多斜面工程。但在本工程中，其操作架上部悬臂架的覆盖高度却远不能达到施工要求，附着预埋铁件在空腔墙体处固定形式也存在重大的安全隐患，且不能应用于后续外装饰工程；爬架提模遇到的问题与液压爬模类似；满堂架支模方案理应可行，架体材料选用安得固脚手架完全能满足74高的支撑需要，但不足之处是工程总体进度要求裙房施工（局部24高建筑面积超过一万平方米）与主塔同步施工，满堂落地架影响着裙房正常施工，工序间存在着无法协调的矛盾；悬挑架支模方案中的防护体系可以满足施工的需要，但由于悬挑跨度过大，不

7、宜悬挑大型钢梁。加之传统的架体附着形式不利于大模板的安装运输。根据市场调研结果，对各种模架工艺中的利弊特点进行归纳整理，创新改造。在“小布局流水施工工艺”思想的启发下，以大模板施工作为工程质量保障的必要条件，通过科学改造来扩展外脚手架的结构性能，协调好与大模板的联系为充分条件，将施工面划分成是由若干个小单元的组合，再分析模架设置之间的相互关系后发现，若以悬挑架技术为基础，将外架设计为步步支撑的错台悬挑架，即采用一步一挑，悬挑钢梁生根于钢骨柱上，上下架体通过斜杆件连系起来，就可达到既大幅度缩短悬挑钢梁的长度和重量，减少设施料用量，又解决了架体的附着支撑可随钢结构施工及时跟进，形成基本覆盖整个施工

8、面的防护问题。并通过技术措施适当加大悬挑钢梁间距，就可以满足大模板提升宽度的要求。利用设置附着钢梁密度较大的特点，在架体里侧设置滑道，借助小型提升工具，人工就能实现模板垂直运输和临时支撑的要求。据此形成了“自升大模板施工工艺，连续逐步错台悬挑架防护体系”的方案，被确定为本工程施工用模架的设计方案。3. 模板设计与施工根据模架总体方案的设计原则，对大模板结构的设计及应用，从减轻模板结构荷载、模拟试验与工艺编制、安装及拆除提升等三个方面展开工作。在减轻模板结构荷载方面，采取的措施为：一是采用木制大模板，即用质量较好的镜面胶合板做面板，木龙骨做竖向内楞；二是模板主次楞采用分开安装，即由木龙骨和面板制

9、成基本模板，仅需满足首次起吊安装时的抗弯刚度即可。在模板安装及临时支撑后，再通过对拉螺栓安装型钢横梁，钢梁不随模板一起吊运。达到在尽可能减轻模板重量的前提下，又要保证组装模板后的整体刚度。近似大模板施工结合散支模的方法；三是在保证模板施工高度的前提下，尽量缩小宽度，以悬挑钢梁跨距（按4.5m设计）的一半设计，即不大于2.25m（实际为2.15m），可方便通过架体。经过采用PKPM软件的设计计算结果，模板材料选用20mm厚木胶合板做面板，80×120木龙骨内楞（间距250mm，竖向布置），外横梁采用210槽钢，M20快装高强穿墙螺栓（间距650×750）。为验证设计计算的效果

10、，现场将组装好的一块试验模板架空放在混凝土地坪上，依据计算参数，包括混凝土重力在斜面上对模板的法向效应，采用等效沙袋进行承压测试。测试结果显示，模板局部变形超标。经过分析后，认为木龙骨及其连接节点稍显薄弱。采取措施为：在木龙骨侧面帮衬一道等高20mm厚胶合板，模板上下端用木龙骨挡头连接，并在角部连接处用胶合板增强加固。加固后的模板强度和刚度有了明显提高，可以满足施工的要求。在编制施工工艺所采取的技术措施中，对模板的接缝处理，采取模板边木龙骨错台2cm与邻接模板面板宽出2cm形成企口，合缝后用销栓连接固定；悬挑钢梁处采用散模板拼接，木龙骨压缝。拐角处也采用企口接缝，在钢梁端部设斜向对拉螺栓固定；

11、下掩口采用贴密封海棉条封堵；为防止混凝土浇筑过程中产生的重力和浮力影响到模板移动变形，将部分对拉螺栓和定位筋预先焊接到钢骨梁柱上，对模板进行定位控制；模板提升过程中，逐块进行拆除、提升，不得连续拆除后再去提升，为提升时确保模板两侧留有足够的站人空间，这是对人员和架体必要的安全保护措施。模板安装、拆除与提升。利用模板高度跨越架体上下三层附着钢梁的特点，在架体内侧安装工具式简易滑道，借助钢骨梁柱做支点，采用倒链在滑道上人工提升模板。模板采取整层配置，外大模板首次安装采用塔吊从地面提起。在每块模板对应的架体上安装两条滑道，滑道由5号槽钢或40钢管制作（本工程用钢管），将滑道下部焊制的短钢管用扣件固定

12、在悬挑架内侧的大横杆上。由外架上部与钢骨梁空隙之间吊入到滑道上，进行临时固定。按照预先弹出的模板标高控制线，借助下部的穿墙螺栓孔，将木方固定在墙面上作为支点。利用倒链和人工辅助将模板支放到木方上，并通过穿墙螺栓将下部临时固定。室内模板采用散模板与局部预拼大模板配置，塔吊吊入，穿墙螺栓将内外模板及钢横梁连接固定。支设完成后，梁板模板采用满堂架支撑体系，钢木主次梁上散拼胶合板方法支模。当墙面混凝土强度达到C10以上后，松开对拉螺栓，同时拆除模板外钢梁。把2t倒链挂在上层的钢骨梁柱上，下钩通过钢丝绳吊住模板两侧木龙骨设置的吊环。收紧链条，待模板脱离墙面后，退出适当数量的穿墙螺栓，此时模板的下部就会落

13、到滑道上（预先放置一道木方作为缓冲）。通过拉动链条，模板被提升到上一层。待墙内的模板到位后，再将模板扶正，并连接固定。模板提升原理如图二所示。图二 提升前 提升后4. 悬挑架设计与施工 根据总体方案，外架设计主要是围绕配合模板施工和安全防护进行。主要内容为构造设计与安全计算、现场模拟试验、编制安装与拆除程序等。 架体构造由钢梁、外立杆、大横杆、小横杆、内斜立杆构成。防护材料为层层满铺木脚手板，外挂密目网、小眼安全网，设置扶手栏杆和踢脚板等。架体参数设计为：立杆纵距1.5,横距1.3,离墙0.6,步高1.8, 钢梁间距4.5。 立杆间设有斜撑。对南北直墙段的架体构造，参照与斜墙等步高，廊宽0.9

14、米，钢梁每15米左右一悬挑，其它略同。斜墙架体构造如图三、四所示。 图三 架体侧面图 架体正面图图四 架体立体示意图架体构件设计与计算。从图三、四中看到，架体结构形式是由架设在悬挑钢梁上的单片桁架，与内斜立杆和里大横杆连接构成，近似由许多空间桁架的组合。荷载通过大小横杆、斜撑传递到钢梁上，最终传到工程主体（钢骨柱）上。对于一步挑架而言，其自重荷载不大，操作人员的荷载也相对不大。附加荷载来自大模板拆除和提升过程中的动荷载。浇筑混凝土产生的荷载由模板对拉螺栓与内满堂架及地脚螺栓辅助支撑承载，在架体计算中可以不予考虑。风荷载在该架体附着形式中影响极小，也可不予考虑。架体各受力杆件，只要满足有关钢结构

15、设计中有关悬挑架的计算规定，就能确保架体安全工作。根据钢结构设计规范（GBJ1788）和建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范（JGJ1302001）的规定，架体计算内容主要包括：钢梁支座处最大弯矩Mmax、最大剪力Vmax、抗弯抗剪强度、截面稳定性、外端最大挠度；大、小横杆的强度及挠度；桁架的最大挠度和各杆件的强度。为保守起见，桁架按简支梁计算；施工荷载按保证人员安全考虑，原则上不允许堆放材料，取1.5kN/m2。模板拆除提升过程中的荷载按三层架体附着承载均等考虑。计算过程略,计算结果满足设计要求。现场模拟试验。在现场用扣件式钢管脚手架搭设了一个6米高的模拟斜墙。按照设计参数，安装一组（一跨三

16、层共6个）悬挑钢梁。并由下而上组装起高5.4、宽7.5的脚手架。满铺脚手板后，按照1.5kN/2实验荷载,在架体上按50、30、20分3次均匀摆放沙袋。将加压后的钢梁、大横杆的变形挠度进行测量，并经过一昼夜的观察，其最大变形量与设计要求一致，完全满足施工要求。钢梁制作与安装。利用钢结构先行施工的条件，在现场将预先切割好的16号槽钢钢梁焊接固定在墙内钢骨柱侧面上，槽钢腹板紧贴钢柱，采用三面断续角焊缝。这种方法是将部分槽钢之后埋入混凝土中，以后架体拆除时，割除外露部分，相对加工预埋连接铁件要经济的多。安装方式如图五所示。图五 悬挑钢梁安装示意图钢梁外端上面预焊接一个直径25长约10cm的钢筋头，作为安装外立杆用。焊接钢梁时，外端预抬高20mm，防止架体在施工过程中出现外倾斜现象。架体搭设。当钢梁每安装完一层后，操作人员按照模拟试验架确定的搭设程序，分别进行脚手板铺设、固定大小横杆、安装立杆及斜支撑、防护材料安装等。完成一层，检查验收合格后，再继续进行上一层安装，直至满足上层钢筋绑扎高度的需要。架体拆除工作要在外装饰工程完成过程后期进行，按照设计方案，架体随外装饰工程的最后工序由上而下进行拆除，钢梁从根部割除，随即对外露表面进行磨平防腐处理，拆除的材料由指缝洞口转入室内运出（此时塔吊已拆除）。5. 结语经过六个月的工程实践，“自提升大模