高空悬挑结构支撑体系的研究与应用.docx
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高空悬挑结构支撑体系的研究与应用
高空简支梁结构支撑体系的研究与应用
中建三局一公司贵阳分公司省委办公业务大楼64m高支模
一、工程概况
贵州省委办公业务大楼建设地点位于贵州省省委大院内,总建筑面积5.5万平方米,其中地面以上约4.5万平方米,地下室约1万平方米。
主楼17层,裙房4层,地下2层。
楼高76.4米,长104米,宽48.8米。
地下-2层为人防地下室,平时为地下停车场,地下-1层为停车场。
本工程为综合性办公业务大楼,裙楼层高4.5m,主楼层高4.2m,柱距为8m,梁的跨度大,门厅高度达到14m。
结构相对复杂。
本工程在1~3/J~L及25~27/J~L轴处(大楼东西面)64.75m(十六层)标高处设计有一转换层,转换层梁板正下方1~15层均无楼板,净空高度达到64.8m。
64m高空简支梁混凝土结构截面大、跨度大,安全施工面临严峻考验,质量要求严格,工期紧迫,本工程64m高空简支梁施工贵阳市尚无此先例。
传统满堂脚手架使用存在以下问题:
1、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;
2、64米高钢管自身重量达450KG,钢管脚手架承载能力几乎为零,需设置双钢管立杆,且立杆密度加至@500,,脚手架钢管、扣件使用较多,仅高支撑模板一项将需投入钢管300吨,扣件6万个,人工、运输、租赁费用等极其昂贵;
3、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;
4、由于此处结构施工完后还需进行装修吊顶施工,同样需要脚手架操作平台,如结构施工完后不拆除,则钢管闲置时间过长,如在结构施工完后拆除,则在装修吊顶施工时又需要再行搭设64米高脚手架。
5、依据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ130-2001)6.4.4”对高度24米以上的双排脚手架,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。
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。
二、课题目标
(一)目标
贵州省委办公业务大楼64米高空简支梁结构支撑系统稳定、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10mm以内;
2、支撑系统刚度满足要求,砼浇筑过程中沉降控制在5mm以内;
(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)本工程高支撑体系方案的研究得到公司总部技术顾问的支持;
2、不利条件
1)、工程量大,工期紧迫;
2)安全隐患多;
综合以上情况,经过客观分析,项目认为目标完全能够实现。
三、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,项目成员通过“头脑风暴法”集思广益对其高空支撑模板方案进行讨论,按支撑结构形式归纳提出四种方案及其立面图如下:
1、格构式钢柱支撑体系
3、上部斜拉工字钢支撑体系
2、钢桁架梁支撑体系
4、下部斜撑工字钢支撑体系
方案一格构式钢柱支撑体系
方案二
钢桁架梁支撑体系
方案三
上部斜拉工字钢支撑体系
方案四
下部斜撑工字钢支撑体系
(二)方案的分析、评估与选定
1、方案一的分析论证
采用工字钢梁和格构式钢柱的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工字钢梁,工字钢梁两端附着在主题结构的60.6m楼面上,再在工字钢平台上搭设支撑64.75m层的满堂钢管脚手架支撑系统,来解决64.75m的高支模体系。
由格构柱、工字钢梁构成平台直接支撑脚手架体系,荷载通过钢管排架传递给工字钢梁和格构钢柱,再传给基础。
但由于格构钢柱高度达到60米,中部需增加附墙杆,且附墙杆过长。
格构钢柱基础落在地下室顶板上,需对地下室顶板进行回顶,格构钢柱达到60米,用钢量大,施工周期长,施工复杂,费用高。
该方案具有:
1)安全可靠,万无一失;
2)传力明确,受力合理;
3)施工周期长,施工复杂;
4)用钢量大,费用高;
经研究分析对比,该支撑体系安全性高,但施工周期长,施工复杂,费用太高不经济。
通过项目的讨论,认为此方案不可行。
2、方案二的分析论证
采用钢桁架梁和工字钢梁的支撑平台与钢管满堂架相结合的办法。
具体施工方案是在60.6m楼面上安装钢桁架梁,桁架梁两端固定在60.6m楼面上,在桁架梁上铺设工字钢,再在工字钢平台上搭设满堂钢管脚手架支撑系统,来解决64.75m的高支模体系。
由钢桁架梁、工字钢构成平台直接支撑脚手架体系,荷载通过钢管脚手架传递给工字钢和钢桁架梁,再传给60.6m楼层结构。
桁架梁的吊装需要依靠塔吊,但塔吊不能覆盖高支模范围。
该方案具有:
1)安全性高;
2)桁架梁的吊装困难,桁架梁位于塔吊吊运范围之外;
3)费用较高。
经研究分析对比,该支撑体系安全性高,但桁架梁的安装难度大,费用相对较高不够经济,通过项目的讨论,认为此方案不可行。
3、方案三的分析论证
采用工字钢梁和上部斜向钢拉索共同承载。
具体施工方案是在56.4m楼面上安装工字钢梁,上部采用四道钢索斜拉,钢索固定在60.6m楼层框架柱上。
再在工字钢梁上搭设钢管满堂脚手架支撑系统,来解决64.75m的高支模体系。
由工字钢梁和上部斜拉钢索组成的平台直接支撑脚手架体系,荷载通过钢管脚手架传递给工字钢梁和钢索,再传给楼层结构及框架柱。
但钢平台必须安装在56.4m楼面上,上部搭设的钢管脚手架高度达到8.4米,脚手架本身存在安全隐患,钢索固定在60.6m楼层框架柱上,须等60.6m层混凝土强度达到设计强度后,钢索才能受力,工期无法保证,钢索的张拉不便检查,四根钢索的张拉不能保证一致,安全隐患比较多。
该方案具有:
1)安全隐患多;
2)须待60.6m层结构框架柱砼达到设计强度,才能承载;
3)钢索张拉不便检查,钢索之间的张拉不能保证完全一致,受力不均应。
经研究分析对比,该支撑体系安全隐患多,需等待60.6m层结构框架柱砼达到设计强
;
度后才能承载,钢索张拉不便控制,钢索受力不均匀,施工周期长。
通过项目的讨论,认为此方案不可行。
4、方案四的分析论证
采用工字钢梁和下部斜撑组成的平台直接支撑脚手架体系,具体施工方案是在60.6m楼层上安装工字钢梁,下部采用工字钢斜撑,工字钢与预埋在结构内的钢板焊接固定,再在工字钢平台上搭设钢管脚手架支撑系统,来解决64.75m的高支模体系。
由工字钢梁和下部斜撑工字钢组成的平台直接支撑脚手架体系,荷载通过钢管脚手架传递给工字钢梁和斜撑工字钢,再传给楼层结构。
工字钢平台安装较简易,受力明确,安全可靠,拆卸方便。
该方案具有:
1)安全可靠;
2)工字钢平台安装简易,工字钢轻巧;
3)平台拆卸方便,工字钢可回收利用,经济性好。
经研究分析对比,该支撑体系安全性高,安装简易,费用低,经济性好。
通过项目的讨论,认为此方案可行。
其四种方案优(缺)点归纳汇总如下表:
序号
支撑体系类型
分析其优(缺)点
方案选择
1
格构式钢柱支撑体系
1)安全可靠,万无一失;2)传力明确,受力合理;
3)施工周期长,施工复杂;
4)用钢量大,费用高;
不采用
2
钢桁架梁支撑体系
1)安全性高;
2)桁架梁的吊装困难,桁
架梁位于塔吊吊运范围之外
3)费用较高。
不采用
3
上部斜拉工字钢支撑体系
1)安全隐患多;
2)须待60.6m层结构框架柱砼达到设计强度,才能承
载;
3)钢索张拉不便检查,钢索之间的张拉不能保证完全一致,受力不均应。
不采用
4
下部斜撑工字钢支撑体系
1)安全可靠;
2)工字钢平台安装简易,
工字钢轻巧;
3)平台拆卸方便,工字钢
可回收利用,经济性好。
可采用
(三)确定最佳方案
由此可见,通过对比分析:
第4种方案一致评为最佳方案。
最佳方案:
下部斜撑工字钢支撑体系
即:
采用工字钢梁和下部斜撑组成的平台直接支撑脚手架体系,具体施工方案是在60.6m楼层上安装工字钢梁,下部采用工字钢斜撑,工字钢与预埋在结构内的钢板焊接固定,再在工字钢平台上搭设钢管脚手架支撑系统,来解决64.75m的高支模体系。
钢平台平面图
预埋钢板
工字钢
预埋钢板
工字钢
满铺竹跳板
水平兜网
满铺竹跳板
水平兜网
工字钢
工字钢
预埋钢板
预埋钢板
密
目
安
全
网
密
目
安
全
网
立面图
钢筋头
密
目
安
全
网
钢筋头
密
目
安
全
网
立面图
密
目
安
全
网
剖面
四、问题假想预测
(一)下部斜撑工字钢支撑体系流程图(如下:
)
设
计
不
满
足
要
求
构件验算
OK
砼结构受力验算
OK
NO
(二)问题假想预测
我们组织项目技术人员调阅报刊、杂志、互联网,对有关高支模方面发生的质量(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:
1)由于设计受力模型不正确;
、、
,
、
2)材料选用不正确,致使构件自由长度偏长而受力失稳;
3)构造措施不全面,致使架体侧向刚度不足而受力失稳;
2、砼结构承载力不够,主要体现在:
1)结构承受的荷载超过其设计允许荷载而未预先对结构进行加强处理,导致结构梁柱开裂,支撑体系变形;
2)楼层结构砼未达到其设计荷载就进行加载,导致结构破坏,支撑体系失稳;
3、操作过程中未按规范以及批准的方案实施,主要体现在:
1)节点连接不满足要求,焊接质量未经检验合格;
2)三维杆件间距不满足要求;
五、确定对策
通过上述问题假想预测所归纳的几种原因,结合下部斜撑工字钢支撑体系的系统流程图,确定实施对策如下表:
对策表
序
要求
对策
目标
措施
时间
负责人
1
建立应
力应变
模型进
行深化
设
建立应力应变模型通过不对称加载分析,进行力学计算构件验收
等
解决实际施工不对称加荷垂直度偏差以及自由长度偏长、加强节点
刚度,减
少应力
1、运用有限元分析软件进行深化设计
2007年
12月20
日
曾志华
2、工字钢梁下部增设斜撑工字钢
2007年1
月10日
曾志华
2
确保主
体结构
承载力
对支撑工
字钢梁的
梁柱进行
受力验算确定是否加强处理
避免结构
梁柱破坏,
导致支撑
体系变形、失稳
1、对梁柱进行承载
力验算,不满足进行
加强处理;
2007年1
月15日
曾志华
2、需待梁柱砼强度达到设计强度后,支
撑体系才能承受上部荷载
2008年3
月15日
周凡
3
确保制
作以及
拼装焊
接质量
实现制作安装全过
程控制
确保拼装焊接质量
及多方验收合格
1、委托专业厂家制作、安装;
2、检查杆件尺寸3、检查焊接质量
4、现场检查垂直度
等
2008年3
月15日
周凡
制表:
曾志华月
六、对策实施
实施一:
复核:
丁建安
日期:
2007年12
建立应力应变模型通过不对称加载分析,进行深化设计,
1、结合施工现场情况,了解施工荷载情况,对支撑体系进行受力分析;
2、运用有限元分析软件进行深化设计;
3、根据力学分析,水平工字钢梁下部增加斜撑工字钢,斜撑工字钢中部增设一道剪刀撑,其作用是:
一者,减少水平钢梁的跨度,二者,减少下部斜撑杆件的自由长度;
三者,增加钢平台的整体稳定性;
结果:
初步方案于2007年12月10日完成,正式方案及深化设计图纸于2008年1月15日完成。
实施二:
对支撑工字钢梁的梁柱结构进行受力核算,验算梁柱受力是否超过其设计允许荷载;经核算,梁柱结构受力未超过其设计允许荷载,但需待梁柱结构砼达到其设计强度后才能受力。
实施三:
实现制作、安装全过程控制,以提高拼装、焊接质量。
为确保构件焊接质量,顺利通过联合验收,委托专业钢结构单位施工,同时加强现场质量检查,必须检查焊缝外,重点检查如下几方面:
1、斜撑杆件与水平工字钢梁的焊接,严格检查水平钢梁及斜撑杆件与预埋钢板的焊接,不足部分进行标识,处理方法有:
满焊或加补强板;
2、斜撑杆件与水平钢梁的拼装、焊接严格控制错口储存,超出部分同上一样进行补强。
结果:
2008年3月15日通过分公司组织的专项联合验收。
其下部斜撑工字钢梁支撑体系完成情况见下图:
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