高空悬挑斜拉模板支撑体系的设计与应用

张 凯

广西建工集团第三建筑工程有限责任公司 广西 柳州 545002

随着国内高层建筑的不断出现，越来越多的建筑设计采用悬挑楼面和屋面，混凝土结构在屋面或一定高度位置向外悬挑，以实现建筑设计独特的立面效果，增加更多的使用空间。

一般高空悬挑结构施工具有跨度大、高度高、荷载大等特点，对模板支架和脚手架的设计与应用提出了更高难度的要求。在综合考虑安全、进度和经济性等因素的基础上，本文结合实际工程，在悬挑式结构模板支撑体系的设计和应用方面进行了探讨。

1 施工部位结构概况

背景工程位于广西南宁市，框架剪力墙结构，地下3层、地上22层，总建筑面积60 497.18 m2，主楼建筑高度87.49 m。屋面周边结构挑出形成悬挑屋面，结构悬挑长度2.90 m，悬挑屋面板标高87.49 m（图1），21、22层层高分别为4.60、3.30 m。

2 模板支撑体系及支座选型

2.1 模板支撑体系选型

根据施工当地常用的材料类型及常用的施工工艺，确定采用扣件式钢管脚手架为模板支撑架体，且在支撑架体外侧搭设双排脚手架，使其伸出屋面作为施工时的作业及临边防护架。

图1 悬挑构件示意

扣件式钢管脚手架常用的有落地式和悬挑式2种，由于场地狭窄，施工部位离地面高度大，从安全性和经济性方面考虑，可排除落地式支撑架体，拟选用悬挑式模板支撑体系。

2.2 架体支座选型

悬挑式有悬挑型钢＋斜拉、悬挑型钢＋斜撑和贝雷片几种支座类型（表1）。

表1 悬挑架支座类型比选

从结构可靠度、施工便利性和经济性等方面进行比较，悬挑型钢＋斜拉支座的方式可重复使用，其构造简单且安装、拆卸方便、施工成本低，虽然需多搭设1层钢管支架，但均采用现有周转材料和成熟工艺，增加的成本不多，且其安全性可控。因此最终选择悬挑型钢＋斜拉支座的支撑方式。

2.3 型钢选型

型钢选用截面对称、稳定性好的工字钢[1]，工字钢内侧支承于下层楼面上，用工具式卡具固定，悬挑段外端增加斜拉杆卸载。

2.4 斜拉杆选型

通过对比圆钢、钢丝绳等不同材料的性能及可靠程度，南宁地区使用钢丝绳作为外架悬挑钢梁斜拉杆的工艺成熟可靠，故选择钢丝绳作为斜拉杆。钢丝绳下端连接工字钢，钢丝绳上端固定在上层结构混凝土梁上的预留拉环上。

从安全角度考虑，按规范要求在同一部位设2根相同的钢丝绳分别用作工作绳和安全绳，一用一备，提供足够的安全储备。

3 受力模型分析与验算

3.1 确定工字钢的安装位置

根据主体结构及上部悬挑屋面结构尺寸，拟定将工字钢安装在21层混凝土楼面（标高79.59 m），工字钢长9 m，外侧悬挑段长4 m，内侧锚固段长5 m，内外分设U形固定螺栓固定工字钢。

工字钢外端末段下侧设置绳挡，确保斜拉钢丝绳固定位置准确、不发生位移（图2）。

图2 悬挑斜拉支撑示意

3.2 确定模板支架立杆轴力

按普通扣件式钢管支架计算模板支撑各立杆传递的轴力。计算时，据JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技术规范》要求除考虑模板、架体、钢筋及混凝土自重等静荷载外，还考虑施工人员及设备、倾倒混凝土时的冲击、振捣时产生的振动等活荷载以及风荷载等，并对荷载进行组合，最终确定各立杆轴力设计值。

经计算，支承在工字钢上的各立杆轴力分别为（从内到外）：5.91、7.12、5.70、3.75、3.30 kN。

3.3 确定斜拉杆固定位置

斜拉杆与钢梁的水平夹角以大于45°为宜[2]，本工程斜拉杆水平夹角约为51°，且工作绳和安全绳固定位置基本相近、夹角相同，以保证内力、变形一致[3-4]。斜拉杆下端固定点位于工字钢梁距外端0.7 m（工作绳）、0.5 m（安全绳），上端固定点位于22层楼面（标高84.19 m）混凝土梁外侧，在混凝土梁上埋设φ22 mm钢筋拉环，距楼面分别为0.3 m（工作绳）、0.1 m（安全绳）。

3.4 确定计算模型

模板支架立杆支承于工字钢梁上，工字钢搁置于楼面上，内侧2个支点，外侧悬挑，梁端用钢丝绳拉结于上层结构上。将内侧2个支点和上层钢筋拉环支座简化为铰接节点，计算时考虑钢丝绳的弹性变形，仅考虑1道斜拉杆受力。

经计算，在工作绳（固定点距钢梁外端0.7 m）受力状态下，斜拉杆内力、变形较大，钢梁内力相差不大。在工作绳受力的工况下进行验算如能满足，则在仅有安全绳受力的工况下安全系数更大，计算结果偏安全。因此选用工作绳受力时的计算模型进行验算（图3）。

图3 计算模型示意

3.5 设计验算

3.5.1  材料型号设定及力学参数取值

根据常用材料规格，假定悬挑钢梁选用18#工字钢，选用6×19的φ18 mm的钢丝绳，对其进行验算。材料的主要力学参数如下：

18#工字钢：弹性模量E＝206 000 MPa，截面面积A＝30.7 cm2，惯性矩I＝1 660 cm4，抵抗矩W＝185 cm3。

φ18 mm钢丝绳：弹性模量E＝92 100 MPa[5]，截面面积A＝254.5 mm2，破断拉力F＝176 kN，安全系数K＝10（据JGJ 80—2016《建筑施工高处作业安全技术规范》，以下简称“规范”）。

3.5.2  荷载计算

模板支架上部荷载主要包括架体、模板、钢筋及混凝土自重等静荷载和施工荷载、混凝土振捣产生的荷载、风荷载等活荷载，经荷载组合计算[6]，每根立杆传递至工字钢梁上的荷载设计值如表2所示。

表2 荷载设计值

3.5.3  内力及强度计算

经结构力学求解器计算，工字钢最大弯矩Mmax＝6.19 kN·m，则有：

式中：σ——工字钢正应力，MPa；

Mmax——工字钢最大弯矩，kN·m；

W——18#工字钢截面模量，cm3；

[f]——钢材容许强度值，MPa。

工字钢抗弯强度满足要求。经计算，抗剪强度也满足要求。

经结构力学求解器计算，钢丝绳轴向拉力T＝17.16 kN。

验算钢丝绳强度为：

式中：K——钢丝绳安全系数；

F——钢丝绳破断拉力，kN；

T——钢丝绳轴向拉力，kN。

钢丝绳抗拉强度满足要求。

3.5.4  变形计算

经结构力学求解器计算，工字钢最大变形为4.9 mm，最大变形处位于悬挑段最外端。该变形值在允许范围内，如在安装钢丝绳时将工字钢外端略微提起，以抵消施加荷载后的变形，可更好地保证浇筑后的混凝土构件尺寸位置准确。

3.6 不考虑钢丝绳弹性变形时的计算结果对比

3.6.1  计算结果

常规进行简化计算时，常不考虑钢丝绳的弹性变形，将钢丝绳与工字钢梁的连接点简化为固定铰支座。在该简化模型下，计算结果为：

内力：工字钢最大弯矩Mmax=6.93kN·m，σ=Mmax/W=37.46 MPa。

钢丝绳轴拉力T＝17.88 kN，K=F/T=9.84，不满足要求。

变形：工字钢悬挑段末端变形约等于0 mm，基本无变形。

3.6.2  与实际工况对比

在本例中，如不考虑钢丝绳的弹性变形，计算结果中钢丝绳轴拉力偏大约5%。对φ18 mm钢丝绳进行验算时，不满足规范安全系数K≥10的要求，需选择更大规格的钢丝绳才能满足，与实际工况偏差较大，未能充分兼顾经济性。

4 模板支撑体系搭设及安全措施

4.1 固定螺栓及吊环埋设

固定工字钢的3个U形螺栓埋设于21层楼面，其中1个距外边0.1 m，另外2个距结构外边梁分别为4.6、4.8 m。固定钢丝绳的拉环埋设于上一层（22层）楼面结构边梁侧面，距楼面分别为0.1 m（安全绳用）、0.3 m（工作绳用）。

4.2 工字钢及斜拉钢丝绳安装

根据模板支架立杆位置、钢丝绳连接位置等尺寸参数，在工字钢上焊接短钢筋作为钢管立杆定位柱，防止立杆侧滑；在下侧焊接角钢作绳挡，防止钢丝绳滑动，保证连接点位置准确；在工字钢与主体结构边缘部位焊接短槽钢或工字钢，防止悬挑工字钢梁内滑。

将工字钢置于U形螺栓内下垫垫板并调正位置后，用压板、双螺帽固定，工字钢侧面与螺栓间的空隙用硬木楔楔紧，以防止钢梁侧移（图4）。

图4 工字钢锚固点构造示意

钢梁初安装时，在悬挑段根部处垫厚10 mm木板（收紧钢丝绳后取出），使梁外端头预上挠约20 mm，以抵消钢丝绳初期变形产生的下挠[7]；用绳卡、卸扣连接钢丝绳上下两端，收紧固定，并在架体搭设、混凝土浇筑过程中随时检查U形螺栓、螺帽的拧紧程度，保证最终受力时结构构件的位置尺寸。

4.3 模板支架搭设

钢梁安装完毕后，作为模板支架基础在其上搭设立杆及其他杆件，内外支架作为一个整体同时搭设，并与主体结构有效拉结，最后安装模板、钢筋。架体扫地杆处必须安装水平剪刀撑。

4.4 安全措施

在模板支架扫地杆处铺设脚手板作为作业面，并在其下挂设安全网作为安全防护，最外立杆内侧挂设密目立网作为立面防护。

对钢丝绳与工字钢接触部位外套胶管进行保护，避免钢丝绳与钢梁直接接触，防止钢梁切割钢丝绳。

5 屋面混凝土浇筑及支撑架体拆除

5.1 混凝土浇筑

混凝土浇筑时，先浇筑内侧后浇筑外侧，对称平行推进浇筑[8-9]，避免出现局部立杆退出工作导致部分立杆内力偏大失稳的情形，保证架体稳定。

在浇筑过程中，在立杆下部设置变形观测点，同步观测变形数据并与计算结果实时比对，出现异常时需及时检查分析并处理。

5.2 支撑架体拆除

悬挑屋面混凝土达到龄期强度后才能拆除模板支架。拆除时，可仅拆除混凝土结构模板、楞木、顶托等，保留架体作为临边防护和装饰作业架体。待饰面工程全部完成后再拆除全部架体，拆除顺序为：架体→钢丝绳→工字钢。

6 结语

本工程采用搭设高空悬挑斜拉模板支架的方法，施工操作简单、搭拆方便，相关构、配件易于获取且能二次使用，节约成本。

在本文所介绍的方法中，对悬挑钢梁可能产生的侧向变形等不稳定因素并未考虑，其有可能对悬挑支撑架产生不利影响，但在施工过程中如能保证钢丝绳、钢梁的位置准确，并做好支架扫地杆、剪刀撑等构造措施，应能将施工控制在安全范围之内。

在进行简化计算时，通过考虑钢丝绳的弹性变形，从而使计算模型更接近实际工况，同时兼顾了施工的安全性和经济性，为今后的同类施工提供了一定的指导和可资借鉴的经验。