阶梯状异形斜塔模板支撑体系设计与应用*

张 新,刘天宇

(山东建筑大学土木工程学院,山东 济南 250101)

0 引言

随着建筑造型的多样化发展,越来越多的异形建筑出现在现代建筑中,其中倾斜式建筑近年来出现愈加频繁。相较于传统建筑,倾斜式建筑施工过程中存在一定的水平推力,导致模板支撑体系的设计难度大大增加。国内一些专家、学者对倾斜建筑施工时的模板支撑体系做了一定研究,罗宗礼等[1]以贵阳花果园办公楼项目中倾斜角度67°的超厚倾斜剪力墙为例,介绍了增设斜撑加固的型钢平台满堂架模板施工方法。简盛恒等[2]介绍了采用定型化成品圆木模板和钢管斜撑+可调顶托+木枋+多排支撑脚手架的支撑体系完成了厦门英蓝国际金融中心的施工,该建筑外立面整体倾斜,混凝土框架柱最大倾斜角度为12.5°。朱同然等[3]介绍了针对三峡移民纪念馆工程中总高23m、最大长度40m的大面积超高倾斜墙体,采用了加设斜撑和斜拉钢丝绳的木框木胶合板体系。代帅等[4]针对东北师范大学体育馆外部倾斜角度为16.5°造型柱的施工项目,在该造型柱的支撑体系中增加水平和竖向剪刀撑可提高稳定性,避免产生大波鼓曲现象。倪喜雨等[5]针对柬埔寨体育场中高度99m的倾斜混凝土结构施工问题,研发了“木模板+造型木+工字木梁+槽钢背楞”模板体系有效解决了该结构的支模问题。杜荣军[6]以国家网球中心中水平倾角42°的斜梁为例,指出倾斜结构模板设计要确保支撑架可承受足够的水平荷载。刘玉涛等[7]将现浇混凝土模板作为隔离体对倾斜模板及支架的受力进行理论分析,进一步对新浇模板侧压力的规范公式进行了推导验证。任凯博等[8]通过制作45°,60°,75° 3个角度的倾斜塔柱混凝土构件,研究模板侧应力分布规律,得出混凝土模板侧压力的最大值随着模板倾斜角度呈负相关。冯俊[9]研究了倾斜结构自重传递至模板支架的荷载计算方法,并提出倾斜结构自重可按力的分解原则分配的假设,通过柬埔寨体育场项目模板支架的设计计算对荷载分配的具体方法进行了演示。王建华等[10]通过高精度振弦式压力盒对某桥斜塔现浇混凝土模板侧压力进行监测,分析得出目前新浇模板侧压力的规范公式计算值与监测值相差较大,针对垂直模板侧压力的计算公式不能简单适用于倾斜模板侧压力的计算,尚需进一步深入研究。

综上所述,国内倾斜结构模板支撑体系施工中,主要采用设置斜撑的方法抵挡倾斜结构的水平推力,同时使用基本力学分解法分析荷载传递规律。倾斜结构采取竖向分段施工时,计算中往往不考虑已浇筑混凝土的凝结固化对支撑体系的影响。本文以烟台扬帆广场异形斜塔项目竖向分段施工为研究背景,针对其建筑结构特点进行了方案设计并将施工中不考虑混凝土凝结固化后的承载力(最不利情况)与考虑混凝土凝结固化后的承载力(最有利情况)2种工况进行对比分析,采用ANSYS有限元软件对支撑平台的力学性能进行数值模拟,通过分层分步加载方式得到2种工况的力学性能变化规律,研究成果可为类似倾斜结构支撑平台设计和施工提供参考与借鉴。

1 工程概况

位于烟台市福山区海滨路扬帆广场的地上阶梯状异形斜塔,建筑面积约64.11m2,建筑高度达14.00m,西侧长5.9m,东侧长6.57m,宽10.29m,建筑整体为倾斜曲面造型,倾斜角度为75°,墙厚0.35m,板厚0.15m。根据高度分为3.75,5.75,9.10,11.45,14.00m 5层,外观呈现由低到高的3层阶梯,内侧设计为圆弧形,可作为滑板场供市民健身娱乐,如图1所示。

图1 扬帆广场异形斜塔结构示意

2 模板支撑体系设计

2.1 设计思路

扬帆广场异形斜塔位于烟台海边,直面海风,作为临海建筑,与内陆建筑施工相比受海风影响较大。斜塔最大倾斜角度达75°,属于典型的大角度倾斜结构,因倾斜而产生的水平推力对支撑体系影响较大。支撑体系需搭设灵活,且可较好地抵抗施工时混凝土产生的水平推力和风荷载。结合斜塔结构特点,支撑体系选择扣件式钢管支撑架,具体设计思路如下。

1)环状封闭型支撑体系设计 为有效抵抗海边风荷载,支撑体系围绕斜塔设计成环状封闭型。水平杆顶紧已浇筑完成的混凝土结构,支撑架四周设置缆风绳。

2)增设斜向支撑抵抗混凝土的水平推力 斜塔最大倾斜角度达75°,混凝土浇筑施工时会对模板支撑体系产生水平推力。为减轻水平推力对支撑体系的不利影响,在支撑体系中设置钢管斜撑,斜撑通过扣件与支撑架立杆连接,斜撑底部支承于地面。

3)竖向分层、水平分段,合理确定施工顺序 斜塔高度为14m,竖向分为5层,内部为箱形结构。箱形结构侧墙及水平板支撑架部分荷载须由提前浇筑完成的斜墙承受,采用竖向分层、水平分段的施工顺序进行施工。施工顺序为:①部分斜墙→②部分斜墙→③部分侧墙→④第1道水平板→⑤部分斜墙→⑥部分侧墙→⑦第2道水平板→…→第5道水平板。施工顺序如图2所示。

图2 扬帆广场异形斜塔施工顺序

4)增设斜拉钢丝绳作为安全储备 为减轻模板对支撑体系的水平推力,在斜墙内侧模板主梁上安装斜拉钢丝绳,防止斜塔内侧模板向外挤压。设计时不考虑钢丝绳受力,仅作为安全储备。

2.2 支撑体系设计

斜塔支撑体系包含5部分:①斜塔结构外侧的环状封闭型支撑架;②钢管斜撑;③斜拉钢丝绳;④斜塔箱体内部的支撑架;⑤斜塔支撑体系的稳定措施。具体设计如下。

1)外部环状封闭型支撑架设计 斜塔外侧支撑架设计为环状封闭型,支撑架立杆围绕斜塔进行布置,通过水平杆连接形成环状封闭型架体。立杆间距为750,1 200,1 500mm,靠近斜塔倾斜部分立杆间距较密。水平杆步距1 500mm。外侧架体四周外围设置竖向剪刀撑,内部纵向设置1道竖向剪刀撑,横向每隔3m设置1道竖向剪刀撑,水平剪刀撑设置3道。架体四周设置疏目式竖向安全网,水平安全网设置2道。立杆顶部可调顶托顶紧侧模上的钢管主梁,如图3所示。

图3 斜塔结构外侧架体设计

2)钢管斜撑设计 为抵抗混凝土浇筑时斜墙产生的水平推力,在斜墙外侧支撑架内部设置45°倾角的钢管斜撑,斜撑竖向间距750～800mm,水平间距同立杆间距。钢管斜撑通过扣件与立杆相连,顶部顶紧外侧模板上的主梁钢管,下部撑在地面持力层上,如图3所示。

3)斜拉钢丝绳设计 为减轻斜墙对支撑体系的水平推力,在斜墙内侧模板主梁上布置直径8mm斜拉钢丝绳,钢丝绳沿墙斜向间隔1 200mm、纵向间距3 000mm。结构第1层内腔设置4根,结构第2～4层内腔设置2根,结构第5层内腔设置1根。钢丝绳通过花篮螺栓收紧,并拉至预埋于混凝土中的钢筋拉环上,如图4所示。

图4 斜塔斜拉钢丝绳设计

4)箱体内部支撑架设计 箱体内部支撑架用来支撑水平板和外侧斜墙。支撑架立杆间距为750mm×750mm,水平杆步距为1 500mm。部分立杆落在已浇筑完成的侧墙外模板上,部分立杆落在已浇筑完成的水平板上。箱体内部设置钢管斜撑,斜撑顶住斜墙模板上的主梁钢管,如图5所示。

图5 斜塔内腔模板设计

5)架体稳定措施设计 为有效抵抗风荷载,稳定措施包括2部分。首先采用水平杆顶紧已浇筑完成的斜塔侧墙,然后在架体高度中间部位和顶部分别设置2层缆风绳。缆风绳采用直径8mm斜拉钢丝绳,每层缆风绳设置4根,位于架体的4个转角部位,钢丝绳下部与地锚相连,如图6所示。

图6 稳定措施布置平面

3 异形斜塔模板支撑体系力学性能分析

3.1 分析方法

采用ANSYS有限元软件,选择倾斜位置支撑架体建立计算模型。为研究斜撑落地与不落地对架体力学性能影响,模型中第1和第2加载段斜撑落地布置,第3～5加载段斜撑不落地。在荷载布置方式上,将东侧斜墙各阶段结构荷载分层、分步加载,加载顺序按施工阶段划分为5个加载段,同时考虑风荷载影响,在水平方向布置风荷载,具体阶段划分为:第1～5加载段,标高分别为0.000～3.750,3.750～5.750,5.750～9.100,9.100～11.450,11.450～14.000m。

加载时将模型分为2种工况,工况1为最不利情况,工况2为最有利情况,如表1所示。

表1 支撑体系受力工况

3.2 荷载选取

荷载根据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》、GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》、GB 50068—2018《建筑结构可靠性设计统一标准》等相关规定取值,具体数值如表2所示。

表2 荷载取值

荷载组合按下式进行计算:

(1)

式中:γ0为结构安全系数;G为永久恒载;Q为可变荷载。

搭设高度3.75m处荷载,G=5.94kN,Sq=12.62kN; 搭设高度5.75m处荷载,G=6.22kN,Sq=13.02kN;搭设高度9.10m处荷载,G=6.69kN,Sq=13.69kN;搭设高度11.45m处荷载,G=7.01kN,Sq=14.15kN;搭设高度14.00m处荷载,G=7.37kN,Sq=14.66kN。

风荷载标准值:

ωk=βz·μz·μ0·ω0

(2)

式中:ωk为风荷载标准值;βz为风振系数;μz为风压高度变化系数;μ0为脚手架风荷载体型系数;ω0为基本风压值。

ωk=0.62kN/m2

3.3 模型建立

选取斜塔东侧墙体结构支撑平台进行模型建立及分析,采用ANSYS中beam188单元建立支撑平台,网格采用映射划分,模型单元各方向尺寸均为0.20m。采用生死单元法将整个支撑平台分成5个阶段分别加载,对不同阶段的架体分步分析,模拟施工时支撑平台的应力和位移变化情况(见图7)。

图7 支撑平台实体模型

3.4 结果分析

3.4.1应力结果分析

3.4.1.1工况1

通过有限元软件ANSYS对工况1支撑平台5种施工阶段进行模拟,主应力如图8所示。

图8 工况1支撑平台主应力

工况1的支撑平台第1～5加载段最大主应力分别为78,86,114,124,132MPa,随着加载段的推进,各加载段与上一加载段主应力相比均有明显增加,工况1中主应力最大值132MPa出现在第5加载段,<205MPa,符合规范要求。工况1中第1,2加载段最大主应力位于最上部斜撑与架体连接处,第3～5加载段最大主应力出现在第3层最底部斜撑与架体的连接处,原因是第1,2层为落地式斜撑,斜撑下部支承于地面持力层,荷载可传递至地面,第3～5层斜撑只与架体连接,荷载经传递后,最大值出现在第3层最底部斜撑位置。

3.4.1.2工况2

通过有限元软件ANSYS对工况2支撑平台5种加载阶段进行模拟,主应力如图9所示。

图9 工况2支撑平台主应力

工况2支撑平台第1～5加载段最大主应力分别为78,83,70,58,46MPa,第1,2加载段的最大主应力出现在最上部斜撑与架体连接处,因为斜撑下部直接支承于地面,第3～5部分最大主应力出现在各自最下部斜撑处,不考虑已施工完成部分的荷载后,各加载段仅受本层荷载,故最大主应力出现在本层最下部斜撑与架体连接处。

工况1与工况2对比分析如下。

1)斜撑颜色与其他部分有明显差别,说明大部分水平推力由斜撑承受,后经斜撑传递至地面或架体主体共同承受。

2)第1加载段为起始段,2种工况下主应力一致。自第2加载段开始,工况2对应施工阶段的主应力与工况1相比分别降低3.48%,38.59%,53.22%,65.15%,说明考虑已施工完成节段混凝土结构可承受自重后,支撑体系的应力大幅度降低。

3)落地式斜撑直接将荷载传递至地面持力层,斜撑为主要受力构件,支撑架其他杆件应力较小。非落地式斜撑先将荷载传递至与自身交接的立杆,立杆再将荷载传递至架体主体,使大部分杆件都受到荷载作用,且荷载累积导致应力较高。

3.4.2水平位移结果分析

通过有限元软件ANSYS对支撑平台位移进行模拟,选取2种情况下最大水平位移云图,如图10所示。

图10 支撑平台水平位移

2种情况下最大位移均出现在第5加载段,这是由于随着结构的层数和高度增加,支撑体系的水平位移也逐渐增大。工况1支撑平台最大水平位移值为-2.429mm,位于支撑架第2层与第3层连接处,原因为1,2层斜撑直接支承于地面,第3～5层斜撑只与架体连接,所以最大位移累积至此处。工况2支撑平台最大水平位移值为-1.239mm,位于第5层斜撑上部,相比于工况1降低48.99%,因已浇筑结构混凝土产生强度后不再对架体产生侧压力,故工况2最大水平位移较小。

4 关键施工要点

4.1 施工顺序选择

针对倾斜式建筑,施工顺序直接影响建筑施工的难易程度与安全性。扬帆广场异形斜塔属于箱形结构建筑,结构中存在大角度倾斜墙体,故将其分段施工,施工时使斜墙始终领先同高度其他部分1个阶段,让斜墙提前达到足够强度以承受其他截面结构荷载。

4.2 支撑架布设要点

搭设支撑架时,考虑到斜塔上部为阶梯状,故将支撑架布置为环状封闭型结构,包围住斜塔。架体中布置斜撑抵抗混凝土水平推力,将斜撑与邻近架体立杆进行扣接,增强支撑架整体性。内侧模板主梁上布置斜拉钢丝绳,减轻模板对支撑体系的水平推力。为抵抗风荷载,水平杆顶紧已浇筑完成的斜塔侧墙,架体高度中间部位和顶部分别设置2层缆风绳。

4.3 混凝土浇筑

混凝土浇筑时按施工阶段分段浇筑,先浇筑墙体,再对水平板进行浇筑,浇筑时斜墙须始终领先同层其他结构1个阶段,按此先墙后板的浇筑方式依次顺序浇筑。

5 结语

通过烟台扬帆广场阶梯状异形斜塔模板支撑体系的设计及实践应用,得到以下结论。

1)倾斜式结构在混凝土浇筑过程中会产生水平推力,模板支撑体系设计中,斜撑承受大部分水平推力,落地式斜撑与非落地式斜撑相比具有更好的稳定性和承载力,但需投入更多架体搭设材料。

2)模板支撑体系设计成封闭井字形结构,封闭型支撑架整体性好,可大幅度提高支撑体系的稳定性。

3)在最有利情况、最不利情况2种不同工况中,加载及计算结果均过于理想化,实际情况应处于二者之间。适当延长节段间的混凝土浇筑时间,可有效降低支撑架体应力和变形。

4)施工过程中设置斜拉钢丝绳,降低了模板对支撑体系的水平推力,由于架体自身承载力已足够承受结构荷载,故可将钢丝绳作为安全储备。