高层悬挑转换空间框架结构支撑胎架的设计与施工

苏亚武 王大迎 郭德强 李金生 骆 军 王朝龙

1.中国建筑第八工程局有限公司广州分公司 广州 510665 ；2.总装备部建设工程西昌质量监督站 西昌 615000

1 概述

1.1 工程概况

中国南方电网有限责任公司生产科研综合基地位于广州市萝岗区科翔路与香山路交界处，本标段的总建筑面积为198 531.3 m2，地下室2 层，地上4 栋单体（J1公司总部生产办公区大楼、J2电力调度中心、J4展示会议中心、J5展示会议中心）。本工程建成后为中国南方电网有限责任公司的总部基地，质量要求为达到鲁班奖，社会影响力大。

其中J1公司总部生产办公区大楼南侧首层至3层为中空大堂（图1），4层楼板结构为悬挑转换层结构。转换层的框支梁为1 400 mm×2 000 mm的高大钢骨混凝土梁，由于框支梁的悬挑长度达到13.37 m，结构设计时采用钢骨混凝土斜撑使整体4～6层形成空间框架共同受力。

图1 J1总部大楼首层高大堂效果

1.2 设计概况

根据结构施工图中对1-A轴～1-D轴与1-1～1-17轴区域（图2）首层～6层的结构施工进行特殊的说明：

（a）4～6层斜撑结构体系（图3）需形成空间刚度，并达到设计强度后（按混凝土浇筑完成后28 d计算）方可拆除该区域以下的支撑体系（包括2 层地下室对应结构楼板区域）。

（b）4～6层斜撑结构体系达到设计强度后方可进行6层以上结构施工。

图2 J1总部大楼悬挑空间钢骨框架平面示意

图3 J1总部大楼悬挑空间 钢骨框架立面示意

2 原方案分析

2.1 原方案材料投入

根据结构施工图纸及设计工程师的相关要求，J1总部大楼南侧悬挑转换空间框架区域需在6层结构楼板达到设计强度后方可对以下的模板支撑体系进行拆除。从现场的施工进度计划进行分析，5层及6层的结构施工工期为15 d，即在6层结构楼板完成混凝土浇筑时， 层结构混凝土龄期已达30 d（按正常情况强度应达到设计要求100%）。根据《混凝土结构工程施工质量验收规范（2010版）》的规定：混凝土构件（跨度大于8 m）强度达到100%即可进行拆模。据以上分析可得按照设计对结构施工的要求需额外投入的模板支撑体系时间地下1层楼板为192 d，首层楼板为165 d，4层楼板为30 d。

由以上可计算出由于设计对结构施工的特殊要求，拟将额外多投入10 000 m2模板木方，且钢管支撑体系需额外投入约31 万元（月租赁费按150 元/t计算）。

2.2 工期分析

（a）本工程建设体量大，施工周期短，工期压力大，按合同工期要求2012年11月18日完成底板混凝土的第一方浇筑，2014年6月30日工程竣工交付使用。J1总部大楼的主体结构施工为关键路线的工作，如按设计要求6层结构待达到设计强度后方可进行上部结构施工，则会损失将近28 d的工期，这将会为工程后续施工带来较大的影响。

（b）根据工程总体进度计划，2014年6月中旬将插入地下室的初装修及机电专业施工，J1总部大楼南侧特殊区域支撑体系的延迟拆除导致过多的施工分段，不仅影响地下室初装修及机电专业的整体策划及施工，而且过多的施工接缝将会影响总体工程质量。

2.3 钢结构施工

J1总部大楼1-A以南悬挑空间转换框架中的钢骨混凝土框支梁的型钢为H1 200 mm×300 mm×25 mm×35 mm，该悬挑构件在安装时需投入专用临时胎架支撑，以利于型钢安装时栓焊施工。

3 方案优化及设计

3.1 优化施工方案

根据对原施工方案的分析，不仅会额外增加工程造价，而且对工期有较大的影响。项目技术团队通过与设计工程师的沟通及对结构的传力分析，并结合实际现场施工方案及进度，在确保满足结构挠度要求的前提下，为了能够按正常拆除脚手架支撑，在4层转换梁处增加钢管支撑。即在施工第4层时在4层转换梁及悬挑梁底增加钢管临时支撑，以承受5～6层荷载作用，同时在施工过程中可以作为悬臂型钢的临时支撑回顶大钢管尺寸为Φ609 mm，壁厚12 mm，共20 根（其中1-A轴上11 根，1-A轴偏南4 045 mm上9 根），如图4所示。

3.2 施工过程模拟说明

3.2.1 工况1：浇筑4层混凝土

在4层模板支撑体系搭设过程中，需同时插入钢管胎膜的安装。胎膜面标高需等于4层楼板结构的底标高。所以在浇筑4层混凝土时胎膜仅承受它与楼板接触面积范围内（1 m×1 m）的楼板荷载，其余梁板结构部位荷载将由模板支撑系统承担。

图4 J1总部大楼悬挑空间钢管回顶平面布置

由此可得工况1时结构受力情况为：浇筑4层楼板时，其施工活荷载（1 kN/m2）及支撑体系的恒载（5 kN/m2）通过钢管支撑体系传递至首层楼板上。

3.2.2 工况2：浇筑5层混凝土

根据施工进度计划，5层结构的施工时间为15 d，所以在浇筑5层混凝土时，4层的模板支撑系统仍然保留。所以5层梁板区域结构的荷载仍然有支撑体系传递至首层楼板上。

由此可得工况2时结构受力情况为：浇筑5 层楼板时，施工活荷载（1 kN/m2）及5层的支撑体系恒载（5 kN/m2）作用于4层楼板上，此时4层楼板支撑体系尚未拆除，荷载通过4 层支撑体系传递至首层楼板上。

3.2.3 工况3：浇筑6层混凝土

根据施工进度计划，6层结构的施工时间为15 d，所以在浇筑6层混凝土前，4层的楼板结构的混凝土龄期已达到30 d（达到设计强度的100%），所以根据规范对4层的模板支撑系统进行拆除。所以6层梁板区域结构的荷载经模板支撑系统传递至4层楼板上。

（a）6层浇筑时的施工荷载（1 kN/m2）及6层的支撑体系恒载（5 kN/m2）作用于5层楼板上。

（b）由于5层混凝土已浇筑15 d，混凝土强度达到设计强度的75%以上，且支撑系统还未拆除，4层承受5层支撑体系荷载（5 kN/m2）及人员活荷载（1 kN/m2）。

3.3 计算结果

根据PKPM设计软件进行模拟计算，各项计算结果均满足设计要求：

（a）运用反算得出4层结构梁并未超限，且计算配筋小于设计配筋；

（b）根据《混凝土结构设计规范》中要求，本工程钢骨混凝土结构的允许挠度为l/300（=28 mm），由计算结构可知采用了大直径钢管胎架回顶后，J1总部大楼1-A以南悬挑空间转换框架结构最大挠度仅为9.47 mm，满足设计要求（图5）；

（c）根据计算结果，钢管最大轴力为1 568 kN，其中位于1-A轴上的大直径钢管胎架由于位于地下室相对应的柱位上，所以轴力能通过结构柱传递到底板上。对于位于1-A轴偏南4 045 mm的大直径钢管胎架（共9 根）位于地下室结构板上，钢管轴力大于结构楼板的承载力，由此需对地下室结构楼板进行回顶（采用48.3 mm的钢管组成的格构式支撑架进行回顶）。

图5 4 层梁弹性挠度示意（半幅）

4 现场施工[1-9]

4.1 重点与难点

（a）由于大钢管胎架位于模板结构支撑体系中，并且二者的工作变形并不协调，所以为减少胎架与模板支撑体系的互相影响，在确保胎架的强度及稳定性的前提下选择了609 mm大直径独立钢管作为胎架。对于独立安装高度为13.65 m的大直径钢管胎架，确保独立胎架的安装垂直度将是本施工的重点，避免由于安装偏差而产生的二阶附加应力。

（b）在大直径钢管胎架进入工作状态时，将进行胎架的应力应变监测，密切关注胎架的受力情况并分析数据是否符合PKPM的模拟计算。

（c）大钢管胎架卸荷时结构会存在弹性范围的内力重分布，因此大直径钢管胎架的卸荷也将是本施工的重点。

4.2 支撑胎架安装要点

4.2.1 测量定位

根据设计方案，大直径钢管胎架直接支承在地下室顶部结构上，上部荷载通过结构柱或者格构式支撑架传递至地下室底板上。所以钢管胎架的定位需要精确，避免引起其他构件的额外受力。

4.2.2 大直径钢管胎架连接

大直径钢管胎架采用6 m标准节，调整标高用的活动节根据现场实际测量净空数据进行加工，确保胎架长度满足要求。胎架节间采用大六角螺栓进行连接，且螺栓的拧紧度需均匀。

4.2.3 上下端部做法

由于大直径钢管胎架的直径为609 mm，为减少接触面混凝土局部压力，在大直径钢管胎架上下端部采用25#工字钢拼接成1 000 mm×600 mm的承压面，增大受力面积。

4.2.4 应力应变监测

为能密切监测胎架的工作受力情况，在受力较大且重要的部位采用应变片进行测量，根据测量数据分析胎架在施工过程中的应力应变情况，并与设计方案进行校核。

4.3 支撑胎架拆除要点

4.3.1 胎架卸荷施工

主体结构施工过程中大直径钢管受力后会产生弹性压缩，当工况满足设计方案后，可进行胎架拆除。由于钢管胎架已承受荷载并产生了弹性压缩，所以在它拆卸前需进行卸荷。本施工方案对比了千斤顶、砂箱等卸荷方案后，考虑了施工周期较长，操作面小、承载力要求较高等要求后，采用了砂箱卸荷的方式。为优化卸荷过程中结构的内力重分布，钢管胎架采用对称卸荷。

4.3.2 大直径钢管胎架拆除

根据设计方案胎架拆除需待6 层结构楼板达到设计强度后才可进行拆卸，所以在4 层支撑架拆除时需预留局部拆卸操作平台。由于操作空间的限制，胎架将采用预埋在4层结构楼板底部的吊钩和电动葫芦配合进行拆除。

5 结语

大直径钢管胎架较常使用于钢结构临时支撑，在本工程中成功运用于悬挑转换空间框架结构的回顶施工（根据现场施工进度已有8 根钢管成功进入工作状态），使结构施工既满足了设计工程师对关键结构的特殊要求，同时节省了工程造价。在国内强劲的商业地产发展的情况下，越来越多的大空间建筑受到青睐，本工程的回顶胎架设计思路及施工方法能为大跨度空间转换结构施工提供较好的施工经验。