83米高空悬挑6米结构的模板支撑新法

陈元国

一、工程应用背景

应用于上海的万宝国际广场宾馆工程，建筑面积为47664.26m2，地下2层，地上23层，局部12层，框架剪力墙结构，建筑总高度为95.lm。结构在23层楼面（82.850m）、23层屋面 （87.70m）东南角圆弧处分别挑出最大尺寸为4.437m、5.487m的半椭圆形结构，23层楼面纵向悬挑梁截面尺寸为500×950，椭圆形外侧联系梁截面尺寸为250×1450，内侧框架主梁截面尺寸为500×1300；23层屋面纵向悬挑梁截面尺寸为500×1100，椭圆形外侧联系梁截面尺寸为350×1000，内侧框架主梁截面尺寸为500×1600。

二、支撑方案的选择

此部分的结构模板主要须考虑好模板的支撑结构形式，项目部管理人员运用 “头脑风暴法”提出了型钢焊接支撑法、高空悬空吊索安装法、落地式脚手架支撑法、桁架结构悬挑支撑方法等进行综合分析：

方案一：型钢焊接支撑方法：用20号槽钢焊接钢梁置于下部层次的外墙体上作支撑，需要钢材50吨，附加若干予埋件、螺栓、钢管等。一方面要另投资35万，另一方面对钢结构的吊装及拆除会带来诸多不便。

方案二：高空悬空吊索安装法：采用型钢结构焊接加吊索进行安装支撑的平台，虽然节约部分型钢用量，但须有吊车进行安装拆卸前后的配合问题，考虑到结构到顶后，吊车须拆除的可能性，无法满足施工安装要求的现实。

方案三：落地式脚手架支撑法：用普通钢管搭设满堂落地式支撑。一方面需要租赁钢管约250吨，需要的工期长和钢管使用量大的缺陷。

方案四：桁架结构悬挑支撑方法：采用现场现有的普通钢管进行焊接桁架结构，作悬挑结构件，然后在此平台上进行搭设脚手架、模板支撑架体的方法，材料现场就有无需重新购买，钢管应用广泛，经济实用，安全可靠。

对于以上四种方案我们进行了论证比较：很明显采用钢管桁架结构焊接的悬挑的结构形式做法，较为经济合理，安全快速。

三、初步设想方案试验

桁架结构形式的悬挑支撑体系：利用普通钢管焊接的桁架结构，与22层楼面预埋的铁件与其焊接悬挑出去，作为上面模板支撑架子的结构支撑点。桁架结构批量施工安装前首先进行荷载试验，如图所示。

搭设的桁架结构进行荷载试验的情况 （试验荷载根据实际施工要求进行考虑，满足了工程结构承载要求）。

四、桁架结构悬挑支撑施工方法

1．编制依据

（1） 《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2001；

（2） 《钢管扣件水平模板的支撑系统安全技术规程》 DGJ/T08-016-2004；

（3） 《建筑施工安全检查标准》GJG59-99；

（4） 《混凝土结构工程施工质量验收规范》50204-2002；

（5） 《建筑工程施工质量验收统一标准》GB50300-2001；

（6） 《万宝国际广场宾馆工程结构施工图纸》；

（7） 《建筑施工计算手册》2004版等；

（8）PKPM计算软件。

2.桁架结构的承载力计算书

（1）结构23层平面单元荷载计算，取最大间距梁板截面处为计算单元

①混凝土结构自重： (1.313×0.13+0.5×0.82×0.5)×2450=920.5kg/m

②模板、木方自重：（潮湿状态下的18厚胶合板12.l kg/m2， 45×85的木方3.27kg/m)

12.1+3.27×4=25.18kg/m2

②支撑纵横杆自重： (1.313×50+2.5×11) ×3.84÷3.7=96.7kg/m

④支撑立杆自重： 1.2×20×3.84÷3.7=24.9kg/m

⑥直角扣件：50×1.35/3.7=18.3kg/m

⑦旋转扣件：20×1.45/3.7=7.84kg/m

⑧永久荷载：920.5+25.18×1.313+96.7+24.9+14.38+18.3+7.84=1116kg/m=ll.16KN/m

⑧可变荷载：

a.取混凝土浇筑荷载2.0KN/m2；

b.取施工荷载1.0KN/m2；

c.垂直于脚手架方向的风荷载：考虑由水平支撑承担，不参加计算。

（2）椭圆混凝土联梁处的集中荷载：

P=[(1.313-0.25) ×0.25×1.45+0.25×0.25×0.5] ×2450=1020.7kg=10.3KN

荷 载 设 计 值 ： q=(11.16×1.2+3×1.313×1.4)=19.272KN/m

（3）桁架梁吏座、杆件内力计算：

取中间桁架梁最大间距1400处为计算单元，在计算单元内结构砼及排架自重为11.16KN/m，施工活荷载为3KN ／m2，

根据以上计算，已知荷载：

P=10.3KN，q=19.272KN/m；支座反力计算时考虑实际力P和各支点作用点距相应的主节点150，分别求得各支点的受力状况：支1=60.94KN；支2=-0.58KN；支3=18.32KN； 支 4=16.4KN； Ay=-l.78KN； Cy=0.002KN；Ax=Cx=22.68KN。

取中间桁架梁最大间距1400处为计算单元，在计算单元内结构砼及排架自重为11.16KN/m，施工活荷载为3KN／m2，根据以上计算，已知荷载：P=10.3KN，q=19.272KN/m；为简化计算，桁架杆件内力计算时考虑力P和各支点直接作用在相应的主节点上，分别求得各支点的受力状况：支1=49.363KN；支2=7.283KN；支3=18.329KN； 支4=16.607KN。

Ay=0.0004KN；Cy=-0.00013KN；Ax=Cx=21.464KN

求桁架各杆件内力：

分别取D、B、E节点法计算得：

NDB=-8.2KN （压力）

NBF=8.2÷ (0.95÷1.276)=11.02KN （拉力）

NBE=-11.02× (0.852÷1.276)=-7.36KN （压力）

NEc=-7.36+49.363×sin29.05=16.609KN （拉力）

NEF=-49.363×cos29.05=~43.153KN （压力）

取HG以左部分，以G点取矩，由∑Mc=0得：

8.2×1.652+26.22×0.8-49.363×cos29.05×0.8+0.95NFH=0

NFH=-0.00004KN （拉力）

取F节点法计算得：

由∑Mx=0、∑MY=0得：

NFG=-[-11.02×(0.852÷1.276)-0.00004]÷(0.8÷l.242)

=11.424KN （拉力）

NFC=[49.363×cos29.05-26.22-(0.95÷1.276) ×11.02]÷ (0.95÷1.242)=11.41KN （拉力）

计算简图

取MN以左部分，以N点取矩，由∑MN=0得：

Nro=-[8.2×4.052+26.22×3.2+15.42×2.4+15.42×1.6+15.42×0.8-49.363×cos29.05×3.728-7.283×cos23.33×2.81-18.329×cos32.73×2.21-16.607×cos21.79×1.2] ÷0.95=43.263KN （拉力）

取AO以左部分，以A点取矩，由∑MA=0得：

NMA=(8.2×4.852+26.22×4+15.42×3.2+15.42×2.4+15.42 ×1.6-49.363 ×cos29.05 ×4-7.283 ×cos23.33 ×3.2-18.329 ×cos32.73 ×2.4-16.607 ×cos21.79 ×1.6) 10.95=0.00053KN （拉力）

轴心受压杆件强度及稳定性验算：

a.轴心受压构件的强度计算：

a=N/An=60940/848=71.86(N/mm2):

由于计算的最大强度σmax=71.86N/mm2，不大于承载力设计值：215N/mm2，故满足要求。

b.轴心受压构件的稳定性计算：

λ=lo/i=1500/15.94=94.1

查表得φ=0.683

σ=N/An=60940/(0.683×2×424)=105.22(N/mm2)

其计算结果不大于承载力设计值：215N/mm2，故满足要求。

计算按照Φ48×3.0的钢管，选用2根Φ48×3.5的钢管，能满足要求。

c.扣件抗滑力的计算：

纵向或横向水平杆与立杆连接时，扣件的抗滑承载力按照规范5.2.5计算，当直角扣件的拧紧力矩达40-65N·m时，试验表明单扣件在12kN的荷载下会滑动，其抗滑承载力可取Rc=10.0kN。

取支点l作用在节点150处最大荷载值为60.94KN

由R≤Rc

其中Rc-扣件抗滑承载力设计值，取10.0kN；

R-纵向或横向水平杆传给立杆的竖向作用力设计值；

采用双斜撑杆，各斜撑杆与桁架2点锚固，每点锚固3只扣件抗滑承载力的设计计算满足要求。

取支点3、4作用在节点150处的荷载值进行计算：支3=18.32KN；支4=16.4KN

采用单斜撑杆，各斜撑杆与桁架2点锚固，每点锚固2只扣件抗滑承载力的设计计算满足要求。

取支点2作用在节点150处的荷载值进行计算：支2=-0.58KN；

容许承载力设计值：2×8=16kN

采用单斜撑杆，各斜撑杆与桁架2点锚固，每点锚固1只扣件抗滑承载力的设计计算满足要求。

桁架轴心受压构件的强度计算：

取NEF=-43.153KN（压力）进行计算

a=N/An=43153/424=101.8(N/mm2)；

由于计算的最大强度σmax=101.8N/mm2，不大于承载力设计值：215N/mm2，故满足要求。

轴心受压构件的稳定性计算：

λ=lo/i=800/15.94=50.2

查表得φ=0.916

σ=N/An=43153/(0.916×424)=111.11 （N／mm2）

不大于承载力设计值：215N/mm2，故满足要求。

计算按照中48×3.0的钢管，选用Φ48×3.5的钢管制作桁架能满足要求。

连接强度验算：

a.埋件钢筋锚脚的受剪承载力设计值

Nvb=4×3.1415×162×180/4=144760.32(N) 经过计算大于其实际承载力，满足要求。

b.支座A、C的埋件焊缝在水平力作用下的抗剪强度计算：

σf=N/he1w≤BfXfwt 取ft=5mm，he=0.7，ft=3.5mm

22.68×l03/3.5×l， ≤1.22×125 lw≥25mm， 实际施工取lw=100mm

五、桁架结构悬挑支撑施工

1．支撑体系、模板安装采用的主要材料要求

（1）型钢：悬挑模板根据计算要求选用Φ48x3.5钢管制作桁架梁。

（2）钢管：钢管选用国标 《直缝电焊钢管》 (GB/T13793)，质量符合国标碳素结构钢 (GB/T700)Q235-A级钢要求。斜撑杆、纵横支撑钢管均采用Φ48×3.5，表面锈蚀深度≤0．5mm，钢管上打孔的严禁使用，有严重锈蚀、弯曲、压扁或裂纹的钢管不得采用。

（3）扣件：钢管脚手架扣件采用可锻铸性材料制作，其材质符合国家标准 《钢管脚手架扣件》(GB15831)的规定，使用前进行质量检查，有裂缝、变形的严禁使用，扣件应做防锈处理，螺栓拧紧，扭力矩达65N.M时不得发生破坏。

（4） 脚手板： 采用4000×250×45的无结巴针叶松木铺。

（5）连墙件：采用Φ48×3.5钢管扣件，连墙件的材质符合现行国家标准 《碳素结构钢》 (GB/T700)中Q235-A级钢的规定。

（6）凡用来制作脚手架、支架的配件、材料均必须有材料出厂质量证明书。

（7）模板排架支撑的主要材料：

①排架立杆、梁板下 （侧）锚固主龙骨：为直径48×3.5mm脚手钢管；

②浇板底、梁、墙板侧次龙骨：42mm×87mm木楞；

③模板材：复合多层胶合板915mm×1830mm×18；

④模板支撑脚手架配套配件：直角对接旋转扣件、底托垫板尺寸为150×150×18mm。

2．结构模板下的支撑要求

竖向支撑体系：外侧排架体系与已完结构墙板柱整体拉结牢靠，施工层外侧排架与内侧排架拉结成整体，采用搭设满堂钢管排架；外墙采用穿墙螺栓结合脚手管斜撑的拉撑固定体系。

模板及其支架经过计算有足够的承载能力、刚度和稳定性，能可靠地承受浇筑混凝土的重量、侧压力以及施工荷载。安装现浇结构的上层模板及其支架时，下层楼板结构强度应具有承受上层荷载能力，且加设支架，上下层支架立柱应对准，并铺设垫板。

3．外悬挑桁架支撑体系预埋、安装

（1）桁架梁的制作，各受力杆件均采用脚手钢管，脚手管的负偏差不得小于Φ48×3.25mm，杆件采用砂轮切割机或气割下料，桁架梁各节点杆件的中性轴应汇交于节点，桁架焊接时采用定型模具，先两边点焊固定牢靠后，再将两边进行对称施焊，使得两边受力均匀，焊脚宽度不小于6mm，焊缝厚度不小于4mm，桁架各细部尺寸严格按照加工图制作。

（2）桁架安装在结构22层平面 (78.85m)，与外侧下方三角形支撑斜杆形成组合支撑体系，桁架梁挑出结构面最大处为4.83m，桁架梁下共有5个支撑斜杆来承受上部荷载，分别支撑在20层、21层两个结构平面外侧主梁上，支撑斜杆端部与结构面锚固采用预埋钢管作锚固连接。

（3）该立面有由十九层挑出的悬挑脚手架，按照施工进度要求搭设至二十二层平面以上1.8m即可，在23层平面结构模板施工前，应先安装完22层的桁架支撑体系的定位布置工作，安装时可利用此脚手架降低安装时的悬挑跨度，安装桁架支撑体系前，应先在悬挑外侧的下方张设安全网和安全兜底网，以确保安装作业时的安全。

（4）在安装悬挑桁架梁和其上部结构悬挑梁模板支撑时，其悬挑端部的水平标高应相对内侧按1%的比例上扰，确保其混凝土结构拆模、加载后不下扰。

（5）在19层结构平面施工时，应预埋好圆弧结构周边张设安全、兜底网的竖向短钢管，钢管采用脚手管，间距不大于2m；在20层、21层结构平面施工时，应预埋好圆弧结构周边的锚固拉杆的短钢管。

（6）在22层结构平面施工时，应预埋好桁架梁下两只200×200×12的预埋件，预埋件的锚脚采用4Φ16，锚固筋L-300，锚脚与埋件采用开孔塞焊，预埋件顶面应与桁架梁下弦杆焊接牢靠，焊缝厚度ft不小于4mm，焊缝总长度不小于120mm，以满足桁架下弦杆水平方向的4.5吨拉力。

（7）结构外侧桁架梁上排架纵横间距根据平面图、剖面图进行搭设，20、21层三角形支撑每道大横杆必须与内侧排架或结构框架柱梁拉结牢靠，在结构悬挑梁的两侧平行与桁架梁的两侧设置纵向剪刀撑，横向剪刀撑设置在22层排架立杆的外侧；下部斜杆支撑、上部排架支撑杆分别与托在桁架下的横向大横杆连接锚固，受力节点处采用双直角扣件抗滑移锚固；最外侧斜杆采用双斜撑杆，斜撑杆与桁架2点锚固，每点锚固3只扣件抗滑承载力；大横杆与桁架连接锚固，桁架之间与纵横向大横杆构成网架体系，23层外挑排架体系与内侧排架整体搭设，且与先浇筑的结构柱框架拉牢。

（8）在23层悬挑梁下，埋设 [12槽钢双拼而成的斜支撑，待23层结构平面混凝土浇筑强度达到80%时，可进行上部结构的施工，在23层顶部结构模板排架搭设施工时，外排架每根立杆应设置斜杆支撑在23层楼面。

（9）桁架支撑体系的安装施工，施工员、安全员必须全过程现场指导监督进行。桁架支撑体系安装完成后，必须经技术负责人检查认可后方可搭设上部脚手排架等支撑体系。

（10）内侧排架支撑体系应锚固在内伸椅架上，浇筑结构顶板梁混凝土时，必须先将内侧非悬挑结构浇筑完成后再浇筑外侧悬挑结构。

（11）悬挑支撑体系、排架等支撑必须在悬挑结构混凝土强度达到100%，且23层顶板梁结构施工完成后方可拆除。

（12）在22层平面椭圆两极点处悬挑跨度较小，分别采用脚手钢管搭设三角形支撑，与内侧排架整体拉结牢靠。

（13）内外排架搭设顺序：放置纵向扫地杆→立杆／斜撑杆→横向扫地杆→第一步纵向水平杆→第一步横向水平杆→连结锚固管件→第二步纵向水平杆→第二步横向水平杆……纵横向剪刀撑。

（14）扫地杆：脚手架设纵横扫地杆，纵向扫地杆采用直角扣件固定距距钢梁面300mm处的立杆上，横向扫地杆用直角扣件固定在紧靠纵向扫地杆下方的立杆上。

（15）纵向水平杆 （大横杆）设置在立杆内侧，长度不小于3跨，采用旋转扣件连接，连接接头应交错布置，不设在同步、同跨内，相邻接头重叠水平不应小于600mm，采用双转向扣件连接，受力较大的搭接范围内等间距设置3个旋转扣件固定，端部扣件盖板边缘至搭接水平杆杆端的距离不得小于100mm。

（16）与结构拉结的每一主节点处必须设置一根横向水平杆 （小横杆），并采用直角扣件扣紧在纵向水平杆上，该杆偏离主节点的距离不应大于150mm。

（17）由于本楼是框架结构，在结构面拉结点处楼面梁上预埋短钢管，钢管插入梁内深度大于200mm，连墙件采用双杆与水平钢管用扣件连接，其内侧设置抗滑移双扣件。

（18）剪刀撑设置：外侧立面整个长度和高度上连续设置剪刀撑，每道剪刀撑宽度为4跨，剪刀撑斜杆与水平面角度为45°-60°，剪刀撑的斜杆接长采用搭接，搭接范围内等间距设置3个旋转扣件固定，端部扣件盖板边缘至搭接水平杆杆端的距离不得小于100mm，剪刀撑斜杆用旋转扣件固定在与之相交的横向水平杆的伸出端或立杆上，旋转扣件中心线至主节点的距离不大于150mm。

（19）防护设施：在外立杆和拦杆的里侧满拉1.8x10m密目网，安全网上下边与纵向水平杆绑紧。栏杆和挡脚板搭在外立杆内侧，作业层上栏杆上皮高度应为1.2m，中栏杆居中设置，挡脚板高度不应小于180mm。

（20）脚手板采用250mm宽×45厚×4000的木铺，不待有探头板。

（21）扣件节点拧紧，采用扭力扳手，扭力矩控制在40～50N·m。

（22）接地：在悬挑型钢架体的外侧通长设置不少于3组与结构主体接地引下线连接可靠，做好防雷电、防漏电接地，接地点其接地电阻值不大于4欧姆。

4．模板支撑系统安装

（1）模板支撑系统采用钢管排架组合支撑模板体系，大圆弧悬挑桁架支撑体系上的排架顶端作为主龙骨的钢管，在其间距大于800时设置双管。

（2）排架立杆毖须牢固地锚固在桁架梁或已完结构楼板上，锚固在桁架上的立管必须采用双扣件抗滑移。支承已完结构楼板上的立杆底应设垫板。在排架底部下端通长设置Φ48×3.5mm扫地杆；水平支撑杆使用扣件与立杆扣牢。

（3）梁模板支撑的排架采用钢管排架，在Φ48×3.5mm钢管主龙骨上架设42×87次龙骨为木方，梁侧模、顶板模支撑时其次龙骨采用平行于板短边方向而布置，间距不大于250mm，并根据梁底及板底的高度组合拼装。

（4）结构悬挑梁、圆弧梁模安装前，应拉出轴线、梁位置线以及水平控制标高。安装的排架应垂直，纵横向的大横杆应按照平面图中的位置通长拉结，大横杆的平面接头应相互错开一跨。

（5）考虑到外侧梁为弧形梁，为保证支撑架的整体稳定性及整体抗倾覆能力，纵向水平支撑横杆与已混凝土结构拉结牢靠。

5.梁顶板模的加工、安装及要求

先在场地上弹出圆弧梁的大样，加工制作完成后再进行现场安装，悬调梁的外侧应按照内侧水平标高线，提高1%进行支模，将其调至预定的高度。固定托梁钢管后在其上安装梁底板，横楞采用42mm×87mm木楞。跨度大于4m的现浇钢筋混凝土横向梁、板，其模板应按规范要求起拱；起拱高度为跨度的1/1000～3/1000。

楼面桁架结构支撑图

悬挑结构的下部施工情况

6．排架支撑体系、梁板模板的拆除

（1）拆除模板前，应将该层混凝土同条件养护试件送试验室检测，当试块达到规定的强度后，并呈报监理公司审批同意、履行拆模手续，方可通知班组进行模板拆除。

（2）悬挑梁待混凝土强度达到100%才能拆除支撑体系，并且等上层结构混凝土已经施工完成。

（3）非承重部位的墙、柱、梁侧模拆除时，不得松动承重结构的支撑、拉杆，且结构混凝土强度应不低于1.2MPa，拆除时的混凝土强度应能保证其表面及棱角不受损伤。

（4）拆模时必须确保砼结构的质量和安全，应严格遵守以下规定：拆模的顺序是先拆承重较小的模板及支架，然后拆除其他部分的模板及其支架，拆模不能乱击乱敲，以防损坏模板及模壳，降低其周转率，拆除模板和支顶时，先将脚手架顶托松下，用钢钎撬动模板，使模板卸下，取下木枋和模板，然后拆除水平拉杆、剪刀撑及立杆等。

（5）拆除梁或板模板时，操作人员站在排架上部第二排钢管铺设的脚手板上，先将最上层钢管向下落600mm后固定好，然后方可进行梁板支楞及胶合板的拆除，并由人工搬运至楼面。拆除模板脚手架时应采用可靠安全措施，严禁高空抛掷。

（6）在拆模过程中，如发现砼出现异常现象，可能影响砼结构的安全和质量等问题时应立即停止拆模，并经处理认证后，方可继续拆模。

（7）拆模后，应对模板支架、模壳等进行调运集中堆放整齐，对模板进行修整、保养，以便以后使用。

（8）拆除架体时采用电动卷扬机将每榀桁架进行吊运至地面上。

六、结语

桁架加斜杆的支撑体系：主要采用桁架结构可先在高空中利用塔吊吊运便于形成较长的悬挑件，在楼层内预埋的焊接件现场相焊接组成空间平台结构件，施工人员然后在由桁架组成的平台上进行搭设上部模板支撑架体和在其下部设斜支撑件支撑于下部的楼层上。这种全部采用的由普通钢管搭设的空间悬挑结构件平台系统，没有使用型钢进行焊接，此类搭设方法的成本最低，经济效果最佳。