高空大悬挑结构支撑体系的施工应用QC

高空大悬挑结构支撑体系的研制与应用江苏**深圳分公司深圳**展览中心45m高支模QC小组一、前言

（一）企业简介

江苏省**建设股份有限公司是国家房屋建筑工程施工总承包特级企业，1982年5月进入深圳参加特区建设。公司以“严守法规、奉献用户、精益求精、质量兴业”为质量方针，近年来多次获得省、市优质工程奖，十一次荣获“鲁班奖”,被评为“全国工程建设质量管理优秀企业”，树立了良好的质量信誉。

（二）工程概况

深圳**展览中心位于深圳市中心区，总建筑面积255616m2，是座具有国际标准的超大型展览建筑，也是深圳市的标志性建筑。建筑物长：540m（18×30m），宽282m（126m＋30m＋126m）。主体为钢筋混凝土框架－剪力墙结构，中间跨跨度30m（空腹柱外截面4m×4m），两翼钢结构屋架跨度126m。**展览中心地下局部三层，地上六层，总高60m；45m标高悬挑梁（悬挑15.545m）两端铰支座支撑钢屋架将**中心屋盖。该工程规模大，采用新技术多，2003年被建设部批准立项为综合科技示范项目（立项批文为建科函*号，项目编号为*）。图1深圳**展览中心心主体结构外外貌

45m层：长360m，宽60m，横向柱间双排预应力鱼腹式框架梁（共24根）SL1截面尺寸为1m×5.368m～6.368m，跨度30m；柱外两端各悬挑出15.545m（各24根），截面尺寸为1m×2.826m～5.368m。悬挑范围从4-16轴，共计360m（12×30m）长，悬挑部位的投影面积达11192.4m2。

二、QC小组简介

由于本工程鱼腹式悬挑梁混凝土结构截面大、悬挑长、高度高，悬挑部位面积大，且工期要求严，本工程无类似施工经验，深圳乃至国内无类似工程可借鉴。急需研究、制定科学、可靠、适宜的方案并实施，以确保鱼腹式45m高大悬挑梁高支模的施工质量、安全和工期，故在工程开工之初本公司就成立了深圳**展览中心45m高支模QC小组。其小组成员基本情况如下表（表1）：QC小组成员一览表表1小组名称深圳**展览中心心45m高支模QCC小组成立时间2002.11小组类型创新型活动时间新注册日期2002.11注册编号2002-11001活动频率平均每三周一次课题活动次数16序号姓名性别年龄文化程度职务职称组内职务TQC教育1男36专科技术部经理高级工程师组长均超48学时以上2男35本科工程部经理高级工程师副组长3男53本科项目总工程师教授级高工副组长4男53专科项目经理高级工程师副组长5男32本科技术处副主任工程师副组长6男36专科技术部副经理工程师组员7男35硕士技术部副经理高级工程师组员8男34本科技术部副经理高级工程师组员9男37中专安全部副经理助理工程师组员10男25本科技术部资料员助理工程师组员11男36中专工长助理工程师组员12男23中专工长助理工程师组员制表：**复核：**日期：2002年11月5日特邀*大学建筑工程系副主任郭正兴教授、清华大学结构工程研究所黄李骥博士担任本QC小组技术顾问。三、选择课题

（一）问题的提出

45m高鱼腹式悬挑梁混凝土结构截面大、悬挑长、高度高，工程量大，安全施工面临严峻考验，质量要求严格，工期紧迫，本工程45m高鱼腹式悬挑梁施工深圳乃至国内无此先例，本公司在此方面无施工经验，并且无类似工程可以借鉴。

传统满堂脚手架使用存在以下问题：

⑴钢管、扣件均需人工搭设/拆除，不仅增加投资，而且严重影响工期；

⑵40多米高钢管自身重量达300kg，使钢管脚手架承载减弱1/4~1/3，需设置双钢管立杆，且立杆密度加至@400mm，悬挑鱼腹梁下@250mm，脚手架钢管、扣件使用较多，仅高支撑模板一项估计将需投入钢管18,000吨，扣件630万只，人工、运输、租赁费用等极其昂贵；

⑶由于立杆、水平杆密度大，人无法操作、检查；构造要求的水平、垂直方向剪刀撑也无法搭设，架体垂直度无法控制，容易失稳，安全隐患较多；

⑷依据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2001）“对高度24m以上的双排脚手架，必须采用刚性连墙件与建筑物可靠连接。”（强制性条文），但施工现场1~4层层高为7.5/15m，柱距为30m，无法按规范6.1.1条款中“二步三跨或三步三跨”的规定设置连墙件。（二）课题确定

由此可见，传统钢管脚手架无法满足要求，项目部需创建新型的支撑体系来替代。

本次QC小组活动的课题为：四、设定课题目标

（一）目标

深圳**展览中心高空大悬挑结构支撑系统稳定、安全。

（二）目标值

1）、施工加荷过程中竖向构件侧向变形控制在5cm以内；

2）、支撑系统刚度满足要求，砼浇筑过程中沉陷控制在2cm以内；

3）、支撑系统于2003年7月30日前安装完毕，以确保鱼腹式悬挑梁砼2003年8月底全部浇筑完毕（节点工期）。

（三）、目标可行性论证

1、有利条件：

1）、任何支撑体系均为型钢作构件组成有限元的结构体系，即可通过钢结构等专用软件实现结构的应力、应变模拟试验；

2）、本工程高支撑体系研制得到了清华大学土木工程系结构工程研究所*博士以及东南大学*教授等技术指导，并担任本小组顾问；本小组技术力量强干，集我公司以及**展览中心项目部技术骨干组成，不含技术顾问其中高级工程师6名（含教授级高级工程师1名）；

3）、得到深圳**钢结构建筑安装工程有限公司、中铁**局集团有限公司等单位积极参与，实行“强强联合”。

2、不利条件：

1）、工程量大，工期紧迫；

2）、安全隐患多；

3）、需投入大量人力、物力。综合以上情况，经过客观分析，本小组一致认为：五、提出方案，确定最佳方案

（一）方案的提出

在开工之初，围绕课题，小组成员通过“头脑风暴法”集思广益对其高支撑模板方案进行讨论，按支撑结构形式归纳共提出四种方案及其立面图如下：

1、格构式钢框架支撑体系2、万能杆件组合支撑体系

3、悬挑式桁架梁支撑体系4、悬挑式钢拉索支撑体系图3四种方案立面示意图（二）方案的分析、评估及选定

1、方案一的分析论证

采用钢结构桁架支撑平台与钢管排架相结合的办法。具体施工方案是在±0.00结构或地面上浇筑混凝土基础，竖钢结构的型钢格构柱，于柱顶上沿纵向架设钢结构的桥式型钢桁架梁，在桁架梁上沿横向平铺工字钢梁，其中有一端直接附着在主体结构的30m楼面上，再在工字钢平台上搭设支撑45m层的满堂红钢管排架支撑系统，来解决45m的高支模体系。其平面（单跨）、剖面示意图如下图：

由格构柱、桁架梁等构成平台梁直接支撑脚手架体系，荷载通过钢管排架传递给桁架柱和桁架梁；再传递给基础。由于设置了水平杆及剪刀撑，为施工平台提供足够的刚度，以抵抗水平荷载或把水平荷载可靠地传递给相邻的混凝土结构。

该方案具有：

⑴安全可靠，万无一失；

⑵传力明确，受力合理；

⑶施工便捷，实施可行；

⑷工厂制作，现场拼焊；定型稳定，工期缩短；

⑸型钢可回收利用，造价低，经济性好；

⑹柱距达10m，汽车可直接通行，便于大型设备等进场、安装

经研究分析对比，该悬挑梁下型钢格构柱及纵向桁架梁组合的钢框架支撑体系是比较安全、经济的做法，通过小组成员的讨论，认为此方案能满足要求。2、方案二的分析论证

钢制万能杆件又称拼装式钢脚手架，可以组成桁架、龙门架等多种形式，通过选用基本单元为2×2m的万能杆件组合成柱、平台梁，把施工平台传来的荷载传递给基础，施工平台能够达到足够的刚度。万能杆件拆装容易，运输方便，利用效率高，可以大量节省辅助结构所需的钢管及木枋等，适用范围较广。其平面（单跨）、剖面示意图如下图：

该方案具有：

⑴安全性高，隐患较少；

⑵节点受力，传力明确；

⑶施工便捷，实施可行；

⑷杆件定型，现场拼装；

⑸杆件可反复使用，造价低，经济性好；

⑹立杆间距2m，小推车可以进出，但不便于大型设备进场

通过以上分析，我们认为第2种方案虽然基本满足要求，但由于杆件使用量大，深圳乃至周边地区短期无法供应；同时，由于立杆间距小，不便于大型设备进场穿插施工，影响后期施工进度，不宜采用该方案。3、方案三的分析论证

悬挑式桁架梁支撑体系是由德国GMP公司（设计院）建议的，利用+30.0m钢筋混凝土结构楼面拼装、滑移悬挑式钢结构桁架梁平台，但每间隔60m（纵向每两跨）均有核心筒影响，并且E~F轴跨间设有光井，支撑体系先拼装，后施工核心筒严重影响主体结构进度；技术上悬挑式桁架梁端部受力变形大；由于梁下净高40.0m，安全隐患多，经测算费用与第1、2种方案比较还高，吊装、拆除均占主体结构施工工期，严重影响2004年第六届高交会在会展中心召开。悬挑式桁架梁支撑体系立面示意图如下：该方案具有：

⑴传力明确，但端部挠度偏大；

⑵型钢用量大，增加造价；

⑶跨内设有核心筒、光井，严重影响主体结构施工进度；

⑷安全隐患多；

⑸现场需30m楼面结束后进行桁架梁拼焊，严重影响工期。

因此该方案不能采用。4、方案四的分析论证

悬挑式钢拉索支撑体系是在悬挑式桁架梁支撑体系思路基础上改进，通过增加两道斜向钢拉索与钢桁架梁共同承载。在初步构思方面：减小钢桁架梁尺寸，降低造价；除解决了悬挑式桁架梁端部变形外，但须待30.0m以上空腹钢筋混凝土柱先施工，并达到设计强度后才能张拉斜向钢拉索，必要时两柱间40.0m左右增设水平拉杆（索）。悬挑式钢拉索支撑体系立面示意图如下：该方案具有：

⑴传力明确，但须30m以上空腹砼柱有强度，才能承载；

⑵柱根部抗弯增大，钢筋用量相应增加；

⑶钢拉索张拉不便检查；

⑷安全隐患多；

⑸造价高；

⑹桁架梁现场拼焊，严重影响工期。

因此该方案不能采用。

其四种方案优（缺）点归纳汇总如下表：方案的分析、评估及选定表表2序号支撑体系类型分析其优（缺）点点方案选择1格构式钢框架结构支撑体系⑴安全可靠，万无一一失；

⑵传力明确，受受力合理；

⑶⑶施工便捷，实实施可行；

⑷⑷工厂制作，现现场拼焊；定定型稳定，工工期缩短；

⑸⑸型钢可回收收利用，造价价低，经济性性好。

⑹柱距达10m，汽车可直直接通行，便便于大型设备备等进场、安安装可采用2万能杆件组合支撑体系⑴安全性高，隐患较较少；

⑵节点受力，传传力明确；

⑶⑶施工便捷，实实施可行；

⑷⑷杆件定型，现现场拼装；

⑸⑸杆件可反复复使用，造价价低，经济性性好。

⑹立杆间距2m，小推车可可以进出，但但不便于大型型设备进场不采用3悬挑式桁架梁支撑体系⑴传力明确，但端部部挠度偏大；；

⑵型钢用量大大，增加造价价；

⑶跨内设有核核心筒、光井井，严重影响响主体结构施施工进度；

⑷⑷安全隐患多多；

⑸现场需30m楼面结束后后进行桁架梁梁拼焊，严重重影响工期。不采用4悬挑式钢拉索支撑体系⑴传力明确，但须330m以上空腹砼砼柱有强度，才才能承载；

⑵⑵柱根部抗弯弯增大，钢筋筋用量相应增增加；

⑶钢拉索张拉拉不便检查；；

⑷安全隐患多多；

⑸造价高；

⑹桁架梁现场场拼焊，影响响工期。不采用制表：**复核：**日期：2003年2月16日（三）、确定最佳方案

由此可见，通过对比分析：第1种方案一致评为最佳方案。即：采用钢结构桁架支撑平台与钢管排架相结合的办法。具体施工方案是在±0.00结构或地面上浇筑混凝土基础，竖钢结构的型钢格构柱，于柱顶上沿纵向架设钢结构的桥式型钢桁架梁，在桁架梁上沿横向平铺工字钢梁，其中有一端直接附着在30m的主体结构上，再在工字钢平台上搭设45m层的满堂红钢管排架支撑系统，来解决45m的高支模体系。

六、问题假想预测

（一）格构式钢框架结构支撑系统流程图（如下：）（二）问题假想预测

我们组织小组成员调阅报刊、杂志、互联网，对有关高支撑方面所发生的质量（安全）事故进行收集，通过对钢管脚手架高支撑模板体系特大事故进行筛选，以防支撑体系出现类似问题，主要原因归纳如下：

1、施工专项方案不合理，主要体现在：

⑴由于设计受力模型不正确，如铰接按刚性框架设计；

⑵材料选用不正确，致使构件自由长度偏长而受力失稳；

⑶构造措施不全面，致使架体侧向刚度不足而受力失稳；

2、基础承载能力不明确，主要体现在：

⑴原土或回填土地耐力不足，构件不均匀沉陷，出现架体失稳；

⑵回填土不密实；

⑶承载范围未硬质化，经雨水浸泡，承载力降低；

3、操作过程中未按规范以及批准的方案实施，主要体现在：

⑴节点连接不满足要求；

⑵构造措施如水平拉杆、剪刀撑不满足要求；

⑶三维构件间距不满足要求；等等七、确定对策

通过上述问题假想预测所归纳的几种原因，结合格构式钢框架结构支撑的系统流程图，制定实施对策如下表：对策表

表3序要求对策目标措施地点时间负责人1建立应力应变模型型进行深化设设计

建立应力、应变模模型通过不对对称加载分析析，进行力学学计算、构件件验算等解决实际施工不对对称加荷垂直直度偏差以及及自由长度偏偏大、加强节节点刚度，减减小应力1、以清华大学科研研所为技术依依托，重新运运用有限元分分析软件进行行深化设计；；清华大学土木工程程系研究所2003年3~55月2、增设水平杆及垂垂直剪刀撑桁桁架梁；3、在格构柱两侧加加大节点板厚厚度及尺寸。现场2003年4~77月2确保地基承载能力力地基调查、进行验验算，确定是是否加固避免基础下沉的负负面影响1.现场定位放放线，勘察地地基，并进行行密实度检测测和验算2.通过验算结结果确定是否否加固现场2003年5~66月3确保制作以及拼装焊接质量实现制作、安装全全过程控制确保拼装焊接质量量及多方验收收合格1.委托专业厂厂家制作、安安装，2.检查杆件尺尺寸3.检查搭接焊焊长度4.现场检查垂垂直度等车间

现场2003年6~77月4确保支撑体系侧向向稳定性检查连墙件以及水水平拉杆、水水平、竖向剪剪刀撑确保支撑体系整体体的稳定性1.楼面连接板板预埋的复核核、补强2.检查、校正正水平杆3.检查、校正正水平、竖向向剪刀撑现场2003年6~77月制表：**复核：**日期：2003年3月说明：+30.0m平台以上（45m层鱼腹式预应力梁下）采用组合钢管柱满堂脚手架支撑体系，由于在7.5m、15m、30m等楼面结构施工时得到验证，故在这里不作专题论证。八、对策实施

实施一：（分两步骤）

步骤一：建立应力、应变模型通过不对称加载分析，进行深化设计，设计部分由**执行。

步骤二：现场连墙杆埋件等措施由**落实实施实施二：

地基调查、地基承载验算，确定是否进行地基加固，由**执行。

实施三：

实现制作、安装全过程控制，以提高拼装、焊接质量，由**负责执行。实施四：

定期/不定期检查连墙件以及水平拉杆、水平、竖向向剪刀撑等构造杆件，由**执行。其格构式钢框架结构全景及局部放大详见下页图11、12：拆模后悬挑预应力钢筋砼梁外貌见图13：九、总体效果检查对比（安全、工期、经济等效益）

1、安全方面：通过定期沉降观测，基础未出现不均匀沉陷现象，砼浇筑后最大沉陷值为0.5cm；使用经纬仪定期观测竖向构件的垂直度，砼浇筑后的钢框架侧向最大变形为2.5cm；本工程施工阶段无发生任何事故。

2、进度方面：原计划