某m高悬空弧形梁模板支撑系统设计与施工技术

93m高悬空弧形梁模板支撑系统设计与施工【摘要】本文对深圳***********工程屋顶悬空弧形梁模板支撑系统进行了介绍，对钢桁架平台作了内力分析计算，重点阐述了钢桁架平台制作和安装、拆除的施工方法。【关键词】钢桁架焊接吊装模板支撑

深圳***********工程地处深圳市****南，为１栋30层高层住宅，钢筋混凝土框支剪力墙结构，层高2.8m，屋面板结构顶标高89.37m，总建筑面积19209.65m2。该工程屋面以上南北两侧（梁底标高为93.00m处）各设计有一个悬空弧形构架，其中南侧弧形构架悬空跨度较大，构架平面图如图1所示。17a～21a轴、Fa～Ka轴构架模板及其支撑系统可直接支承于屋面板上，支模高度4.23m（屋面板顶至弧形梁顶）。弧形梁21a×Fa轴～26a×Aa轴部分（外围最大弧长12.75m）距地高度93.90m，其模板及支撑系统在外侧和底部无任何防护结构，安全要求高，施工难度大。为确保该部位弧形构架施工能安全、顺利地进行，综合考虑结构受力、安全可靠、经济成本等各方面因素，需精心设计模板支撑系统。1支撑系统的设计与计算1.1方案设计

由于弧形构架梁的悬空高度达到93.90m，不可能采用一撑到底的满堂支撑系统，经过多种方案比较，最终采用在悬空部位架设钢桁架施工平台，然后借助于施工平台进行上部弧形构架结构施工的方案。此处重点对悬空跨度较大的南侧钢桁架平台进行设计。首先，在屋面层即标高89.37m处架设钢桁架，桁架用I20b工字钢及[10槽钢焊接而成，上下弦杆用I20b，腹杆采用[10双槽钢背对背焊接，腹杆开口沿弦杆长度方向，在加工时认真放样，确保弦杆、腹杆的形心汇交于一点。每侧弧形构架使用2榀桁架。桁架详图见图3。每榀桁架焊接成2个半榀，运至现场拼装。桁架上弦杆与屋面结构预埋件可靠焊接。桁架安装焊接完毕后，垂直于桁架长边方向每747mm铺1根I12.6工字钢搁栅（桁架跨中3个节点各铺1根I16工字钢），工字钢外端出外圆弧1m，内端一直延伸至结构边，穿入已预埋的∩形卡中，加焊Ф20钢筋，工字钢与桁架接触处焊接连接。钢桁架支撑平台平面图见图2。工字钢搁栅安装完毕后，立即进行工字钢部位的女儿墙结构的施工，再次确保工字钢搁栅不发生失稳。在工字钢搁栅上满扎大眼安全网，而后满铺钢笆片，与工字钢扎牢，再满扎密目式安全网。施工平台安装完毕，搭设满堂钢管支撑作为弧形构架的支撑系统，在工字钢搁栅上的立杆部位焊接50mm高Ф25钢筋内胆。1.2受力计算

计算简图和内力分析

考虑最不利荷载，验算弧形构架梁下的外侧钢桁架。桁架各杆件的内力按铰接分析计算，桁架对称，只计算左侧一半，计算简图如图4。桁架内力计算结果如表1，型钢规格如表2。注：★为内力最大的验算值；☆为螺栓连接杆件验算值。荷载计算

①静载

外侧弧梁砼：0.35×0.6×12.75×24=64.3KN

（弧长计算：10.983×3.14×2×66/360=12.75m）

内侧弧梁砼：0.35×0.6×10×24=50.4KN

（弧长计算：9.233×3.14×2×62/360=10m）

次梁砼：0.2×0.3×1.4×13×24=26.2KN

梁钢筋：1.5×5.87=8.8KN

模板及支撑系统：（0.75+0.25）×23.3=23.3KN

I12.6工字钢搁栅:0.142×(1.7/2+2.82)×15=7.8KN

钢笆片、安全网：0.079×23.3/0.8=2.3KN

单排脚手架：（5.162×15+12.75×5）×0.0376+5×0.0132×15=6.3KN

立杆水平杆扣件

桁架自重：10.9+0.8=11.7KN

合计：201.1KN

②活载

施工人员及设备荷载标准值取均匀荷载2.0KN/m2

荷载组合：q=201.1×1.2+2.0×23.3×1.4=306.6KN

则，P=306.6/15=20.4KN

1.2.3上弦杆验算(I20b)

⑴正应力验算

a、压杆GH(I20b)：λ=l0/i=747/79.6=9.4

查《建筑施工计算手册》附表2-60，得Ø=0.996

N=29.38×20.4=599.4KN

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

b、压杆EF(I20b)：λ=l0/i=747/79.6=9.4

查《建筑施工计算手册》附表2-60，得Ø=0.996

N=25.66×20.4=523.5KN

扣除M20高强螺栓孔所占面积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剪应力验算

A点支反力为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下弦杆验算(I20b)

拉杆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腹杆验算(2[10)

⑴压杆JC

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

查《建筑施工计算手册》附表2-60，得Ø=0.967

N=8.89×20.4=181.4KN

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

⑵拉杆AJ：N=10.26×20.4=209.3KN

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

⑶拉杆EL：N=4.78×20.4=97.5KN

扣除M20高强螺栓孔所占面积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焊缝验算

从内力计算结果表上来看，杆件AJ在A点处承受最不利荷载。

FA水=7.0P，FA竖=7.5P，焊缝高度为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，焊缝安全。

1.2.7工字钢搁栅验算（按I12.6工字钢验算）

工字钢搁栅伸出桁架，一端悬挑，为纯受弯构件，桁架跨中部位工字钢挑出长度为2.82m，承受最不利荷载。验算简图如图4。

各部位自重及对A支座弯矩计算列表如下：部位自重(KN)力臂(m)对A支座弯矩(KNmm)外脚手架N1=6.3×11.2÷155=0.5002.82M1=0.50××2.82==1.41外侧弧形梁砼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梁钢筋N4=8.8×11.2÷155=0.71.09M4=0.70××1.09==0.76模板及支撑系统N5=23.3××1.2÷115=1.8861.09M5=1.86××1.09==2.03钢笆、安全网N6=2.3×11.2÷155=0.1881.09M6=0.18××1.09==0.20施工活荷载N7=2×23..3×1.44÷15=44.351.41M7=4.35××1.41==6.13合计14.83

∑M=21.06

⑴工字钢搁栅抗剪强度。工字钢截面梁，主要验算腹板上任一点处的剪应力τ，因为翼缘上的最大剪应力小于腹板上的τmax，所以不必验算。

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工字钢搁栅抗弯强度

M=21.06KNm

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

按I16工字钢验算

σ/=M/γW/=21.06×106/(1.2×141×103)=124.5<215N/mm2，安全，可靠。故桁架跨中3个节点上各铺1根I16工字钢搁栅。

⑶工字钢搁栅挠度验算(按I16工字钢验算)

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

a—集中力作用点距A支座的力臂，mm。

6EI=6×206×1130×104=14.0×109KNmm2

a、验算由全部荷载标准值产生的挠度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

则，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、验算可变荷载标准值产生的挠度υQ。

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

⑷B点焊缝抗拉强度

B点焊缝高度5mm，长50mm。

根据力学平衡方程∑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，焊缝安全。

南侧桁架预埋件所在梁WKL2(1)结构承载力验算

折梁WKL2(1)，截面尺寸为200×570，受拉区和受压区配筋均为2Φ22，混凝土强度等级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

满足适用条件，查表αS=0.121

则，设计承受弯矩M=αSfcmbho2=0.121×16.5×200×（570-37）2=112.5×106Nmm=112.5KNm

实际承受弯矩M′=M1+M2

①来自桁架的弯矩M1=P1L1=7.5×20.4×0.206=31.5KNm（如图FT-8，L1=0.206m）

②来自折梁的弯矩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，则实际承受弯矩M′=M1+M2=31.5+15.8=47.3<M=112.5KNm，安全可靠。

1.2.9螺栓计算

2个半榀桁架之间的拼接采用摩擦型高强螺栓连接。高强螺栓采用10.9级M20高强大六角螺栓。

⑴上弦杆EF，N=25.66×20.4=523.5KN

Nyb=0.9nfμP=0.9×2×0.3×155=83.7KN

连接边需要高强螺栓数量n为n=N/Nyb=523.5/83.7=6.3，用10个。

故连接两边共需要高强螺栓数量为2×10=20个。

⑵腹杆EL，N=4.78P=4.78×20.4=97.9KN

Nyb=0.9nfμP=0.9×4×0.3×155=167.4KN

连接边需要高强螺栓数量n为n=N/Nyb=97.9/167.4=0.6，用1个。

故连接四边共需要高强螺栓数量为4×1=4个。

现场拼接后，在连接部位采用10厚节点板四边围焊，作为安全储备。2材料和设备要求方案中选用的各种建筑材料必须有出厂合格证明,应符合国家及主管部门颁发的产品标准,并符合方案要求。

2.1钢管

立杆、斜杆、横杆均采用Ф48×3.5普通焊接钢管，钢管必须有出厂合格证，两端切口需平直，不得有斜口、毛口、卷口等现象，更不得使用锈蚀、弯曲、压扁、裂缝的钢管。扣件在使用前必须进行检查、保养，不得有变形、滑丝裂缝以及其它不允许的缺陷，扣件要有出厂合格证。

2.2模板

采用优质18mm厚胶合板，50×100木枋，要求大面尺寸一致，小面不变形、无死节、无断裂。安全网必须有出厂合格证和深圳市安监站颁发的准用证，不得使用已经腐烂或破损严重的安全网，当对其质量有怀疑时，要做冲切破坏试验。脚手板采用钢笆片，钢笆片采用Φ10和Φ6圆钢点焊制成。规格为800×1000mm，每块重7.9kg。

2.3型钢、钢板

Q235，f=215N/mm2。电焊条采用E43型焊条，焊条必须具有出厂质量证明书。如须改动焊条型号，必须征得编制人的同意。严禁使用过期、药皮脱落、焊芯生锈的焊条。焊接前将焊条进行烘焙处理。所有焊缝均为二级焊缝。

2.4设备

本工程塔吊型号为“川建C5015”，回转半径30m，额定起重力矩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。一榀桁架最重为1.01t，在塔吊安全使用范围内。3施工工艺3.1桁架焊接施工及加载试验

焊接

3.1.1.1型钢加工时应根据工艺要求预放焊接余量以及切割、刨边和铣平的加工余量。腹杆端部冼平，焊缝区表面的毛刺、锈、油污清除干净,使钢材表面露出银灰色。施焊前，要复查焊缝区的处理情况，如不符合要求，修整合格后方可施焊。构件上螺栓孔必须预先冲或钻好,不允许现场烧孔.

焊条使用前必须按照质量证明书的规定进行烘焙。

3.1.1.2焊缝出现裂纹时，焊工不得擅自处理，须申报技术负责人查清原因，订出修补措施后才可处理。

3.1.1.3严禁在焊缝区以外的母材上打火引弧，在坡口内起弧的局部面积应熔焊依次，不得留下弧坑。焊件两端应配置引弧板，其材质和坡口形式应与构件相同。焊接完毕用气焊割除并修磨平整，不得用锤击落。

3.1.1.4为了减少焊接变形与应力，采取如下措施：

⑴焊接时尽量使焊缝能自由变形，焊接要从中间向四周对称焊接。

⑵收缩量大的焊缝应先焊接。

3.1.1.5为减少下料误差及确保桁架的顺利安装就位，在下料前至

现场实际测量预埋件之间的距离。

3.1.2桁架加载试验

桁架焊接完成后，在基地预拼装进行加载试验。将一对桁架连

成空间体系按方案间距每榀两端悬空搁置在角钢支架上（角钢支架采用8×8等边角钢焊接而成，上口焊接10厚钢板，角钢支架示意图如图5所示），上铺工字钢搁栅，向上累加塔吊标准节(重量990kg/节)和塔吊配重（1.64T/块），慢慢加至方案荷载，静至一天，认真检查焊缝、挠度，(图5角钢支架示意图)试验合格后运至现场拼装。试验方法如下：

⑴试验荷载计算和取值

荷载组合后的标准值q=297.6KN，扣除工字钢搁栅及桁架自重，荷载设计值为297.6-（8+10.1）×1.2=297.6-21.72=276KN。

由于该桁架为临时性结构而且还要在工程中使用，故以荷载设计值为试验值。

⑵加载步骤：

第一步：增加方案设计外力的25%；

第二步：增加设计外力的25%；

第三步：增加设计外力的25%；

第四步：增加设计外力的25%；

共增至设计荷载的100%，施加荷载时要均匀增加，每步之间的间隔时间为1小时。进行一～三步加荷时对桁架进行观察，如果桁架有明显挠度、焊缝破坏等异常情况，应停止加荷，经查明原因后，再进行试验，直至一切正常为止。次日24小时后卸载，记录整理沉降变形结果。卸载分四步，每步卸载设计外力的25%，每步之间的间隔时间为1小时。

⑶挠度观测：

依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003），受弯构件的挠度容许值的规定。对于南侧桁架，加载前在下弦杆中心线位置拉一道水平细线，并在跨中划上标志线，加载到位后测量标志线与水平细线之间的距离，即桁架的实际挠度；对于北侧桁架，加载前在下弦杆中心线位置拉一道水平细线，观测方法同南侧桁架。实际挠度与梁跨长的比值限制在1/400（即小于30mm），同时委托材料试验公司试验，在支座上和跨中的下弦底部分别布置百分尺测量荷载变形曲线。。

桁架焊接完成后必须涂刷防锈漆，焊缝区表面的毛刺、锈、油污清除干净,防锈底漆采用红丹性油性防锈漆涂刷两遍。

3.2钢桁架平台施工

预埋件施工

在30层墙柱模板和30屋面梁模板施工时，按方案要求预先在结构的相应位置埋设铁件。预埋件的制作必须严格按照方案的要求进行，在预埋时要仔细定位并用水准仪进行抄平，在混凝土浇筑过程中由专人负责检查，避免移位。

在30层～29层21a×Aa，26a×Fa，A1a×3a，B1a×4a梁端下各设置4根顶撑把部分荷载传递到下层结构。

3.2.2桁架安装就位

待30层结构混凝土达到设计强度，进行桁架的安装就位。先将内侧桁架吊装就位并焊接后，再吊装外侧桁架。为防止桁架平面外失稳，增强钢平台的整体稳定性，两榀桁架下弦杆用[8槽钢焊接连接，槽钢成之字型，与下弦杆角度为45°，置于下弦杆上侧。

3.2.3施工平台搭设

桁架安装就位后即进行施工平台的搭设。在垂直于桁架长边方向每个节点上铺1根I12.6（桁架跨中3个节点各铺1根I16工字钢），工字钢外端出外圆弧1m，内端一直延伸至结构边，工字钢与桁架接触处焊接连接。工字钢穿入已预埋的∩形卡中，加焊Ф20钢筋。在工字钢上满扎大眼安全网，而后满铺钢笆片，与工字钢扎牢，再满扎密目式安全网。

3.3模板及支撑系统施工

采用十八厚胶合板模板及钢管排架支撑系统。排架立

杆位于工字钢搁栅上，在工字钢上的立杆位置焊接50mm高Ф25钢筋内胆,下设水平扫地杆。排架间距：沿桁架长度方向为747，垂直于桁架长度方向设4排立杆。水平管上设50×100木枋，沿半径布置，外侧间距<400mm。

安装模板前应把模板面清理干净，并刷好脱模剂，脱模剂应涂刷均匀，不得漏刷，并按规格堆放。梁底模板：按设计标高调整支撑的标高，然后安装梁底模板，并拉线找平，主梁跨中梁底处按主梁跨度的千分之三起拱，次梁不起拱。主梁底立杆高度为3.47m，设二道水平拉杆和剪刀撑，并与墙柱顶牢。梁侧模板：根据墨线安装梁侧模板，压脚板等。梁侧模板制作高度应根据梁高及楼板厚度来