挑檐悬挑模板支撑体系的设计与施工

蓝 媚，张保志，叶 茂

（1、清远市建设工程综合服务站清远市人才储备中心 广东清远511500；2、广州大学 广州510006）

0 引言

随着我国城市建设的迅猛发展，建筑平立面造型趋于多元化，像中央电视台总部大楼、广州科技中心、上海世博会中国馆、重庆大剧院、吉林广电中心等［1］应运而生，包括大跨度悬挑屋面板等。大跨度悬挑屋面板高支模具有跨度大、高度高、荷载大及施工难度大等特点。近年来因模板支撑体系荷载取值与实际施工荷载差异较大、选取的计算模型与实际不符、不按规范要求施工、以经验操作代替规范施工造成的模板支撑架局部或整体失稳事故时有发生［2-4］，如2017年江西丰城发电厂“11·24”冷却塔施工平台坍塌，造成73 死、2 伤特大安全事故；2017 年广州从化热电厂“3·25”屋面板下施工平台失稳坍塌，造成9 死、2 伤较大安全事故；2020年龙川县麻布岗镇“5·23”模板支撑坍塌，造成8 死、1 伤较大安全事故。本文以某教学办公楼挑檐施工为工程背景，研究挑檐模板支撑体系设计与施工方法，为类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况

某教学办公楼安全等级为二级，丙类，抗震设防6度，地震分组第一组，Ⅱ类，框架结构，基本风压0.35 kN/m2，地面粗糙度B 类。本工程地上6 层，地下0 层，建筑高度27.3 m，屋面层周圈外侧有外挑檐，悬挑挑檐标高23.25 m，外挑宽度1.2 m，等效厚度0.15 m，混凝土强度等级C30。

2 模板支撑体系的设计

扣件式钢管脚手架模板支撑体系设计常有落地式和悬挑式2种［5］，考虑到施工部位离地面较高，从结构整体稳定性、安拆便利性及经济性方面考虑，选用悬挑式模板支撑体系设计。

工程各栋屋面挑檐区域下层楼板安装16#悬挑工字钢，以悬挑工字钢基础平台作为支模基础，其支模高度3.7 m。工字钢悬挑段最大长度1 200 mm，总长3 000 mm，底部设φ 48×3.5 mm 下撑钢管，并在其下层梁板位置对应处预埋200 mm×200 mm×8 mm 的钢垫板。下撑钢管上、下支点分别与悬挑工字钢梁、预埋钢板焊接，挑檐立杆、斜撑与相应楼层内支撑立杆采用水平杆件拉结贯通，支撑系统总体搭设如图1所示。

图1 支撑系统剖面Fig.1 Support System Section

工程一般部位设计验算采用“一洲施工安全设施计算软件”［6，7］和“理正结构设计工具箱软件”［8，9］，转角部位内力验算采用“SAP2000有限元分析软件”［10］。

2.1 一般部位设计验算

2.1.1 悬挑工字钢设计验算

采用“一洲施工安全设施计算软件”进行计算，计算过程从略，立杆轴向力为11 141 N，悬挑工字钢梁H

=160 mm，b=88 mm，tw=6.0 mm，t=9.9 mm，q=0.21 kN/m，Wx=140 900 mm3，IX=11 270 000 mm4，S=80 800 mm3，E=206 000 N/mm2，f=215.00 N/mm2，fv=125.00 N/mm2，fy=235 N/mm2（各符号意义参见文献11），工字钢与梁板的锚固节点按铰接计算，计算简图如图2所示。

图2 悬挑梁计算简图Fig.2 Calculation Diagram of Cantilevered Cornice

①抗弯强度：Mmax=2.2 kN·m，σ=Mmax/γxWx=14.87 N/mm2＜215.00 N/mm2，满足要求。②抗剪强度：Vmax=11.05 kN，τ=VS/Ixtw=13.2 N/mm2＜125.00 N/mm2，满足要求。③整体稳定：L1=1.20 m，t=9.9 mm，b=88 mm，iy=18.90 mm，λy=L1/iy=63.49，φb=0.98，φb'=0.782，Mmax/φb'Wx=20 N/mm2

＜215.00 N/mm2，满足要求。

2.1.2 连接强度验算

2.1.3 斜撑验算

2.2 转角部位内力验算

为避免悬挑型钢梁穿过角柱，影响角柱结构质量，在角柱左右两侧下1.5 m 处分别预埋200 mm×200 mm×8 mm 的钢垫板，角点区域设2 道斜撑，斜撑上、下支点分别与工字钢梁及预埋钢板焊接。由于转角部位悬挑挑檐模板支撑体系受力复杂，利用SAP2000 有限元分析软件建立三维模型并对其进行数值模拟分析，分析结果表明：斜撑长细比l0=1 900 mm，λx=λy=120.25＜150，满足要求；型钢梁及斜撑最大应力分别为175 MPa及59 MPa，满足要求。转角部位最大应力及其位置如表1及图3所示。

表1 转角部位最大应力Tab.1 Maximum Stress of Corner

图3 转角部位最大应力位置Fig.3 Maximum Stress Location of Corner

3 模板支撑体系的施工

3.1 施工技术参数

模板支撑采用满堂式支撑架，板面模板采用1 830 mm×915 mm×15 mm（厚）胶合板，模板底采用45 mm×95 mm松枋木作为第一道龙骨（次楞），间距300 mm；采用φ 48×3.0 mm 双钢管作为第二道龙骨（主楞），间距700 mm；支撑系统采用φ 48×3.0 mm 钢管，钢材为Q235，支架顶部支撑采用可调顶托。

工程拟在各栋屋面挑檐区域下层楼板安装16#工字钢，工字钢悬挑于下层梁板上，间距1 200 mm。以悬挑工字钢基础平台作为支模基础，立杆纵向间距1 200 mm，横向间距700 mm，步距1.50 m。工字钢外挑段最大长度1 200 mm，锚固段长度1 800 mm，总长3 000 mm，飘板支撑内立杆离墙0.3 m，外立杆离墙1 m。型钢悬挑梁固定端采用2 道20 号圆钢与建筑结构梁板锚固，工字钢上采用模板进行封闭，防止落物伤人。工字钢的下层框架梁处通过满焊4φ 16钢筋锚固200 mm×200 mm×8 mm 钢垫板，采用φ 48×3.5 mm钢管作为悬挑工字钢梁支撑杆，支撑杆上、下支点分别与悬挑工字钢梁、预埋钢板焊接。

3.2 施工方法及工艺

在安装悬挑工字钢前，支撑梁板混凝土强度必须达到100%。在施工安排上拟采用如下流程：先施工工字钢悬挑平台➝下部工字钢支撑安装➝安装满堂红支顶体系，将梁钢管支顶位置放线在工字钢平台➝梁板竖向支顶安装（含纵向水平拉杆及剪刀撑）➝架设梁底木枋龙骨于钢管脚手架顶托上➝梁底模板安装➝架设板底木枋龙骨于钢管脚手架顶托上➝楼板模板、木楔安装➝模板支顶验收➝梁钢筋绑扎➝楼板钢筋绑扎➝梁板混凝土浇筑➝混凝土养护➝达到规范要求的拆模强度➝拆模令经监理单位审批、同意拆模、拆下顶托➝松下钢管脚手架可调顶托➝拆除梁、板模板及木楔，清理模板➝拆除水平拉杆、剪刀撑及钢管支顶➝拆除工字钢。

3.3 悬挑工字钢锚固措施

预埋直径20 mm 的锚固环，在拉环处加设2 根长1 500 mm、直径18 mm 的二级钢筋；当降板厚度少于120 mm 时，在拉环处增设1 道加强筋，即设4 根直径18 mm 的二级钢筋。当锚固环处楼板无面筋时，加设4 根直径8 mm 间距200 mm×200 mm、长度1 000 mm的钢筋网。工字钢两侧采用木块顶紧，具体锚固大样如图4a所示。

一般位置搭设悬挑工字钢梁的锚固，预埋U 型直径20 mm 的螺栓，在U 型螺栓底加设长1 500 mm、直径18 mm 的三级钢筋。工字钢两侧采用木块顶紧，工字钢上设220 mm×50 mm×10 mm 钢板，双螺母拧紧，具体锚固大样如图4b所示。

图4 工字钢锚固大样Fig.4 Anchoring Details of I-Beam

3.4 整体稳定性措施

⑴水平拉杆在遇结构混凝土柱时，每步水平杆须“抱柱”提高高支模的整体抗倾覆能力。

⑵在立杆顶托下0.20 m 处纵横设置水平拉杆，用φ 48钢管拉结，以后纵横水平拉杆每1 500 mm高设置1 道，支顶最顶步距两水平拉杆中间加设1 道水平拉杆；水平拉杆端头伸出扣件边缘长度不应少于100 mm，水平拉杆端头有混凝土梁、柱的应与混凝土梁、柱顶紧。挑檐立杆、斜撑与相应楼层内支撑立杆采用水平杆件拉结贯通形成整体，拉结立杆不少于3根。

⑶在外侧周圈应设由下至上的竖向连续剪刀撑。沿挑檐纵向每隔6 m设置由下至上的竖向连续式剪刀撑，并在剪刀撑部位的顶部、扫地杆处设置水平剪刀撑。剪刀撑杆件的底端应与地面顶紧，夹角宜为45°～60°。

⑷钢梁上焊高100 mm、直径25 mm 短钢筋作立杆底座套管；所有竖向杆件用整根通长钢管搭设［12］。

4 结语

通过利用“一洲施工安全设施计算软件”、“理正结构设计工具箱软件”及“SAP2000 有限元分析软件”对某教学办公楼挑檐悬挑模板支撑体系进行数值模拟，结合工程施工经验，可得到以下结论：

⑴转角区域工字钢长度最长，危险性最大且三维受力体系最为复杂。通过利用“SAP2000 有限元分析软件”对其进行数值模拟分析，其各构件受力得到了较为精确的计算。从计算结果得出悬挑钢梁底部加设斜撑能够改变悬挑钢梁受力体系，较大程度减小其挠度，提高结构整体稳定性，保障悬挑模板支撑体系的施工安全性。

⑵相比传统的从地面搭设高支模架体，这种模板支撑体系即整体稳定性高、搭设与拆除方便，又节约材料，提升施工进度，减少施工成本。在施工过程中该挑檐悬挑模板支撑体系稳定，主要受力构件变形较小，达到了预期质量安全目标，进一步证明了本计算方法的可靠性，可为今后同类型工程的设计与施工提供参考借鉴。