连续悬挑混凝土结构支撑平台力学性能研究与应用*

张 新，韩 硕，周广昊，刘天宇

(1.山东建筑大学土木工程学院, 山东，济南 250101； 2.中建八局第一建设有限公司，山东，济南 250100)

0 引言

随着我国建筑使用功能的不断提升，建筑的个性化和多样化不断得到设计师的关注。近年来高层建筑中的悬挑结构越来越多，其中悬挑混凝土结构施工中的支撑体系设计和研究至关重要。国内外对不同悬挑结构的施工技术研究较多，如张显刚等[1]以北京光彩中心悬挑跨度8.7m、最大悬挑长度7m的大跨度圆弧形悬挑梁板结构为研究背景，采用角钢斜拉杆固定悬挑型钢梁形成支撑平台，对施工难点和关键施工工艺进行总结；彭辉等[2]依托某水文气象环境综合监测台悬挑长度4.7m的混凝土板工程，采用钢桁架支撑平台，结合ABAQUS有限元软件分析支撑平台对主体结构的影响并总结支撑平台安装工艺；舒文超等[3]基于昆山市某酒店式公寓工程，该公寓沿建筑顶层四周设置悬挑长度3.0m的混凝土构架，采用悬挑槽钢，结合槽钢斜撑作为支撑平台并对支撑体系各构件进行理论计算；胡长明等[4]基于某工程悬挑长度3m的斜屋面悬挑板，采用斜拉式悬挑型钢支撑平台，结合ANSYS有限元软件建立支撑体系模型并与实测数据进行对比，结果表明，架体稳定性验算需考虑节点半刚性连接和广义初始缺陷；房连生等[5]从剪力墙外墙悬挑板模板搭设入手，研究定制型钢三角架与可调节竖向支撑相结合的模板支撑平台，对其原理和施工工艺进行总结；彭林海等[6]依托珠海横琴某大厦工程，工程结构为“树形”并形成多层次的高空悬挑混凝土结构，结构最大悬挑长度为13.2m，采用建筑内部斜撑支护和钢桁架施工支撑平台，结合性能设计及多道防线验算研究结构在地震作用下的损伤情况；邓穗等[7]基于广州白云区商住建筑跨度14.1m的多层悬空结构，采用型钢梁平台模板支撑体系，并对其设计和施工工艺进行研究总结；Mohamed等[8]采用工字型钢构成三角钢桁架作为悬挑梁板模板的支撑平台，结合SAP2000有限元软件对4种尺寸的钢桁架平台进行分析对比，并将受力变形结果代入验证理论公式；Christoph等[9]结合德国柏林车站中转站对称细长悬挑混凝土屋顶工程，屋顶采用高强轻质混凝土与不锈钢，并采用钢支架支承屋面外边缘各点。

综上所述，针对高空非承重混凝土造型结构梁板，常采用悬挑型钢或定制型钢架作为支撑平台；针对异形和大跨度悬挑结构，常采用悬挑型钢、钢桁架作为支撑平台。虽然目前国内外对悬挑结构支撑平台的研究较多，但主要集中于悬挑长度和跨度较大的梁板结构及异形悬挑结构对应的施工支撑平台，对连续悬挑混凝土结构支撑平台的选型和受力变形特点研究则较少。本文以济南历下总部商务中心C塔5层连续悬挑混凝土结构支撑平台为研究背景，经过方案比选提出最佳支撑平台设计方案，利用ANSYS有限元软件对支撑平台主应力与竖向位移进行模拟分析，并在现场对支撑平台竖向位移进行实测，后期将模拟分析结果与现场实测数据进行对比。研究成果将为连续悬挑混凝土结构支撑平台力学性能研究与实践提供借鉴。

1 混凝土悬挑结构支撑体系

1.1 混凝土悬挑结构支撑体系分类

根据混凝土悬挑结构的施工条件与结构特点，可将其支撑体系分为落地式支撑体系、纯悬挑支撑体系及组合式悬挑支撑体系。

1.1.1落地式支撑体系

混凝土悬挑结构距下部持力层高度不高(≤50m)时，可采用落地式支撑体系。从持力层开始向上搭设支撑架，支撑架根据悬挑结构高度及自重可采取扣件式、碗扣式、盘扣式等钢管支撑架或型钢支撑架。悬挑结构荷载通过支撑架传递给持力层(见图1)。

图1 落地式支撑体系

1.1.2纯悬挑支撑体系

混凝土悬挑结构距下部持力层较高、悬挑尺寸不大且荷载较小时，可采用纯悬挑支撑体系。在悬挑结构下1层楼板上以一定间距布置悬挑梁，悬挑梁可选用槽钢、工字钢、H型钢或贝雷架等，悬挑梁伸入楼板的部分通过预埋的U形螺栓与楼板连接固定。悬挑梁向上搭设支撑架，悬挑结构荷载通过支撑架传递给悬挑梁，再经悬挑梁传递给结构楼板(见图2)。

图2 纯悬挑支撑体系

1.1.3组合式悬挑支撑体系

混凝土悬挑结构距下部持力层较高、悬挑尺寸较大或荷载较大时，可采用组合式悬挑支撑体系。组合式悬挑支撑体系中的悬挑梁与纯悬挑支撑体系中的悬挑梁相同。根据传力方式不同，组合式悬挑支撑体系分为斜拉式悬挑支撑体系和下撑式悬挑支撑体系。

1)斜拉式悬挑支撑体系 根据悬挑结构长度，在悬挑梁上设置1道或多道斜拉杆，斜拉杆采用钢筋、钢管、角钢或槽钢(不能采用钢丝绳)，斜拉杆上部与上层结构边梁连接。悬挑结构荷载向下传递到悬挑梁，再由斜拉杆和结构楼板共同承受(见图3)。

图3 斜拉式支撑体系

2)下撑式悬挑支撑体系 悬挑梁下部设置斜撑杆，斜撑杆采用钢管、角钢、槽钢、工字钢或H型钢等，斜撑杆下部与下层结构边梁连接。悬挑结构荷载向下传递到悬挑梁后，由斜撑杆和楼板结构共同承受。为保证斜撑杆的稳定性，一般需设置纵向和斜向连接杆件(见图4)。

图4 下撑式支撑体系

1.2 混凝土悬挑结构支撑体系对比

针对落地式、纯悬挑及组合式3类支撑体系，从设计、安拆难度、施工周期、施工成本等方面对比各自优缺点(见表1)。

表1 支撑类型比选

2 工程概况

济南历下总部商务中心C塔建筑高度73.6m，在建筑西立面标高48.800m，第11～15层处存在悬挑长度4.2m的连续悬挑混凝土结构，结构层高3.9m。悬挑区域主梁尺寸为400mm×800mm，次梁尺寸为300mm×800mm与200mm×800mm，悬挑板厚250mm(见图5)。

图5 悬挑结构剖面

3 混凝土悬挑结构支撑体系设计

3.1 混凝土悬挑结构施工方案比选

3.1.1悬挑支撑体系方案比选

1)方案1 采取下撑式悬挑支撑体系方案，悬挑梁通过预埋的U形螺栓与主体结构10层梁板固定；悬挑梁下部设置1道斜撑杆与9层边梁焊接固定，支撑平台施工完成后在其上方搭设扣件式支撑架至11层悬挑结构。该方案荷载经悬挑梁与下撑结构传递，由9层和10层结构梁板共同承受，但需在斜撑杆处设置斜向与竖向连系杆，构件连接工作较多。

2)方案2 采取斜拉式悬挑支撑体系方案，悬挑梁通过预埋的U形螺栓与主体结构9层梁板固定。斜拉杆件设置在距悬挑梁端部一定距离处并与10层边梁固定，后期支撑架的搭设与方案1相同。该方案荷载经悬挑梁与斜拉杆传递，由9层和10层结构梁板共同承受且平台构造简单，施工难度较低。

经方案比选，方案2充分利用斜拉杆件的抗拉性能并在高空作业环境下简化设计安拆工序与传力路径，减少材料用量，因此采取方案2更加切实可行。

3.1.2混凝土结构施工方案比选

1)方案1 悬挑结构与主体结构同时施工。两部分结构同步施工，无须设置施工缝。由于施工周期较短，作为传力路径的斜拉杆件与主体结构连接处混凝土无法保证达到设计强度。

2)方案2 悬挑结构滞后于主体结构施工。先施工主体结构，待其达到设计强度后再施工悬挑结构。悬挑结构施工周期拉长，不仅为斜拉杆锚固处混凝土达到设计强度留出时间，先期施工的悬挑结构还可分担上部悬挑结构施工荷载。该方案需在悬挑结构和主体结构间留置施工缝。

经方案比选，方案2在施工安全方面有较大优势，悬挑结构荷载由悬挑结构自身与支撑平台共同承受，充分利用悬挑结构自身承载力，有效降低荷载对支撑平台的不利影响，因此采取方案2更加安全可行，2种方案对比如图6所示。

图6 混凝土结构施工方案对比

3.2 混凝土悬挑结构支撑体系设计

1)悬挑钢平台由主悬挑梁和分配梁组成，分配梁布置在悬挑梁顶面并与其垂直，通过直径18mm U形螺栓固定。悬挑梁和分配梁间距与上方支撑架体相应方向保持一致。悬挑梁布置在9层结构上，悬挑长度5.3m，伸入楼板长度6.7m，采用U形螺栓与主体结构梁板固定。

2)距悬挑梁端部1.3m处设置1道双角钢作为斜拉杆，斜拉杆下部与主梁连接、上部与10层混凝土结构边梁连接，均采取销轴连接，销轴直径50mm。

3)模板支撑架在分配梁上部搭设，架体最大搭设高度7.8m，水平间距同主悬挑型钢梁保持一致为1m，步距1.5m，悬挑钢平台三维效果及剖面如图7，8所示，构件型号如表2所示。

图7 悬挑钢平台三维效果

图8 支撑体系剖面

表2 构件尺寸

4 混凝土悬挑结构支撑平台数值分析

4.1 研究方法

采用ANSYS模拟分析，并且结合工程实际截取部分悬挑钢平台和悬挑结构作为计算模型。在荷载布置方式上，将悬挑结构1层荷载布置在悬挑钢平台上，悬挑结构2层荷载布置在1层悬挑结构上，上部结构荷载布置方式与此相同。通过连续加载分析悬挑结构第11～15层施工过程中，悬挑钢平台的竖向位移和应力变化趋势与规律。

4.2 荷载选取

根据GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》、JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技术规范》、JGJ 130—2011《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》等相关规定取值。楼板厚度按250mm计算，梁高度按800mm计算(见表3)。

表3 荷载取值

由《混凝土结构工程施工规范》中第4.3.6条、GB 50068—2018《建筑结构可靠性设计统一标准》中第8.2.8条、第8.2.9条确定模板及支架的荷载设计值。

(1)

由式(1)计算可得以下结果。

搭设高度7.8m荷载效应值：

SG梁=0.85+1.27+19.2+1.2=22.52kN/m2

SG板=0.85+1.27+6+0.275=8.395kN/m2

SQ=1+2+2=5kN/m2

搭设高度7.8m荷载设计值：

q梁=1.1×(1.3×22.52+1.5×5)=40.45kN/m2

q板=1.1×(1.3×8.395+1.5×5)=20.25kN/m2

搭设高度3.9m荷载效应值：

SG梁=0.85+0.64+19.2+1.2=21.89kN/m2

SG板=0.85+0.64+6+0.275=7.765kN/m2

SQ=1+2+2=5kN/m2

搭设高度3.9m荷载设计值：

q梁=1.1×(1.3×21.89+1.5×5)=39.55kN/m2

q板=1.1×(1.3×7.765+1.5×5)=19.35kN/m2

计算简图如图9所示，其中q1表示第1层悬挑板的施工荷载(包含施工恒荷载和活荷载)，其余符号含义与其相同。

图9 受力计算简图

4.3 模型建立

本模型属于组合式悬挑支撑体系斜拉式悬挑钢平台，选取部分跨度4m的悬挑钢平台及其对应上部连续悬挑混凝土结构，采用ANSYS软件模拟悬挑结构施工到不同层时悬挑钢平台的竖向位移和应力变化情况。分析过程中悬挑钢平台和支撑架体采用solid185单元，悬挑混凝土结构采用solid65单元，网格采用映射划分，模型单元各方向尺寸均为0.05m。网格划分模型如图10所示，悬挑结构逐层施工，数值分析过程中采用连续加载法模拟悬挑钢平台的竖向位移和应力变化。

图10 实体模型与网格划分

4.4 结果分析

具体工况划分为：工况1～5对应第11～15层悬挑结构底板混凝土浇筑，工况6对应第15层悬挑结构顶板混凝土浇筑。

4.4.1竖向位移结果分析

采用有限元软件ANSYS对6种工况竖向位移进行模拟(见图11)。悬挑钢平台最大竖向位移计算结果如表4所示。

表4 竖向位移计算结果 mm

图11 竖向位移云图(单位：m)

由图11分析可知，随着悬挑结构的层数增加，悬挑钢平台的最不利竖向位移也逐渐增大，最大竖向位移出现在工况6，位于平台中间悬挑梁并距悬挑端2.64m处，位移为4.578mm，<1/400跨度，符合规范要求。

随着悬挑结构混凝土达到设计强度，悬挑结构自身可承受竖向荷载，因此各工况下的最大竖向位移逐渐增大，但其相对位移逐渐减小，竖向位移的变化幅度逐渐降低，符合连续悬挑混凝土结构竖向位移变化规律。

4.4.2应力结果分析

采用有限元软件ANSYS对6种工况应力进行模拟，选取工况1和工况6的第一主应力云图(见图12)。悬挑钢平台最大第一主应力计算结果如表5所示。

表5 最大第一主应力计算结果 MPa

图12 第一主应力云图(单位：Pa)

由第一主应力云图分析可知，随着悬挑结构的层数增加，悬挑钢平台的最大主应力值逐渐增大，最不利主应力出现在工况6为179MPa<205MPa，符合规范要求。各工况下最大主应力出现位置均为斜拉角钢与悬挑型钢梁接合处，其原因为竖向荷载需经斜拉角钢传递至主体结构梁板共同承受，接合处出现应力集中。

其变化趋势与竖向位移相同，随着悬挑结构混凝土强度达到设计要求，悬挑结构自身可承受竖向荷载，因此在悬挑钢平台的变化规律上，各工况下主应力最大值的相对差值逐渐减小，变化幅度明显放缓，符合连续悬挑混凝土结构力学传递规律。

5 现场实测

5.1 监测点布置

考虑到悬挑结构不同构件对悬挑钢平台的影响，在布设监测点时应同时考虑悬挑结构板下和梁下悬挑钢平台的竖向位移值。监测点D1，D3，D5，D7主要反映悬挑结构最外侧梁下悬挑钢平台的竖向位移情况；监测点D2，D4，D6，D8布置在悬挑段中部，主要反映悬挑结构板下悬挑钢平台的竖向位移情况，具体监测点布设如图13所示。

图13 监测点平面布置

5.2 实测数据

本项目采用精确水准仪进行测量，其精度可达0.1mm，在每层悬挑结构混凝土达到设计强度后测得相对标高，相对标高与初始值的差值即为本层的竖向位移值，本层与下层相对标高的差值即为本层相对位移(见表6)。

表6 监测点实测值 mm

监测点D1～D8实测值如图14所示。

由图14分析可知：

图14 竖向位移实测值

1)梁下测点竖向位移 在梁下D1，D3，D5，D7测点中，最大竖向位移值出现在工况6下的D5测点为3mm。

2)板下测点竖向位移 在板下D2，D4，D6，D8测点中，最大竖向位移值出现在工况6下的D6测点为4.4mm。

3)各测点竖向位移值均<1/400跨度(10mm)，符合规范要求。梁下悬挑钢平台竖向位移值均明显小于板下悬挑钢平台的竖向位移值，其原因在于斜拉杆的设置点正位于梁下钢平台处，有效限制了钢平台变形。

4)结合竖向位移实测值的变化曲线分析，各测点的竖向位移值均随着悬挑混凝土结构的层数增多而逐渐增大，但因悬挑结构混凝土强度逐渐达到设计要求，悬挑结构自身可承受大部分竖向荷载，所以各层间相对位移均小于或等于前一层间相对位移值，增长趋势整体放缓，竖向位移值变化幅度逐渐减小。

6 现场实测与数值模拟数据对比分析

悬挑钢平台竖向位移模拟值与现场实测值对比如图15所示。

图15 竖向位移实测与模拟值对比

由图15分析可知：

1)悬挑钢平台竖向位移模拟与实测最大值分别为4.578，4.4mm，两者均出现在工况6且数值大小基本一致。

2)实测值通过梁下与板下对比，较大竖向位移均出现在板下区域的主型钢悬挑段跨中位置，与模拟值最大值位置相吻合。

3)竖向位移数值分析结果均高于实测结果，其原因为数值模拟的结果是根据规范考虑荷载分项系数的情况下进行连续加载求得，导致模拟值与实测值出现一定偏差。

4)模拟值与实测值均随着悬挑结构层数增加逐渐增大，相对位移逐渐减小或保持不变，变化趋势整体放缓，变化幅度逐步减小，两者竖向位移变化规律基本一致。

7 结语

连续悬挑混凝土结构的悬挑钢平台，因其上部悬挑结构施工方式与荷载传递的特殊性，导致悬挑钢平台的力学性能与传统悬挑结构支撑平台不同。本文通过分析悬挑结构支撑体系并结合实际工程对连续悬挑混凝土结构的施工方式与悬挑支撑平台进行方案比选，后期结合所选方案采用ANSYS软件对连续悬挑混凝土结构逐层施工工况下悬挑钢平台的主应力与竖向位移进行模拟分析，结合现场实测数据分析悬挑钢平台竖向位移的变化特点和规律。结果表明，各工况下最不利主应力与竖向位移在不超过规范限值的情况下逐渐增大且变化幅度逐渐减小，现场实测与模拟结果吻合度较高。