含斜墙的核心筒整体钢平台模架设计研究

马 静，沈国相

（1.上海建工集团股份有限公司，上海 200080；2.上海建工装备工程有限公司，上海 201114；3.浙江天勤建设有限公司，浙江 绍兴 312046）

1 工程概况

厦门白鹭西塔项目位于厦门市集美区，项目包括1 栋266m 高的塔楼、宴会厅裙房和4 层商业裙房，总用地面积为34 172m2。塔楼地上47层，地下3 层，结构形式为钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒，1～3 层设置钢板剪力墙，局部墙内设置型钢，地上标准层层高为4.2m、4.0m，非标准层层高有3.9m、2.1m、6.0m 等。

塔楼核心筒平面呈正方形，由纵横内墙分隔为六宫格，初始平面尺寸约23.0m×23.0m。27～31 层为斜墙段，核心筒四面外墙同时向内斜向收缩，收缩层数共计4 层，每层层高4.0m，总高度16m（图1）。南北侧外墙以7°逐步收缩，共收缩2m；东西侧外墙以10°逐步收缩，共收缩2.9m；收缩后核心筒平面尺寸为16.8m×18.6m。

图1 核心筒剪力墙斜墙图

2 总体技术路线

针对塔楼的结构特点，施工时采用分节拍流水施工，核心筒竖向结构先行，对水平构件进行甩项，即核心筒竖向结构为第一节拍，核心筒水平结构紧随其后，最后进行外框钢结构施工。核心筒采用钢柱式整体钢平台模架进行施工，4 层进行整体钢平台模架安装；4～27 层按照标准流程进行施工；27～31 层进行斜墙施工；斜墙施工完毕进入垂直段后继续按照标准流程施工至顶层。

考虑到核心筒的整体稳定性，27～31 层斜墙施工时同步施工外墙内侧梁板（图2），过斜墙采用整体钢平台模架与临时脚手架共同施工的施工方法。具体技术路线为：整体钢平台模架爬升至27 层，根据墙体变化特点，对钢平台进行拆改，拆除外墙内侧与斜墙干涉的内筒构件，为水平楼板施工提供操作空间；改造完成后外墙内侧利用水平楼板搭设临时脚手架向上施工，外墙外侧27～29 层利用钢平台外脚手架向上施工（图3），29～34 层钢平台外脚手架拆除，利用悬锚脚手架向上施工；整体钢平台模架与临时脚手架配合至34 层，待架体底梁完全越过斜墙段后，钢平台外脚手架重新安装封闭，斜墙段施工完毕。

图2 与斜墙同步施工的水平结构

图3 斜墙施工典型工况立面示意

结合核心筒体型随高度变化的特点及总体施工技术路线，整体钢平台模架共有4 种典型体型。27 层以下为体型一；爬升至27 层为体型二，此时南北侧外墙2m 范围内的内筒构件拆除，东西侧外墙2.9m 范围内的内筒构件拆除，钢平台顶部钢梁四周为超大悬挑，部分底梁变为单侧支撑；爬升至29 层为体型三，此时外脚手架及上部钢梁拆除；爬升至34 层为体型四，此时整体钢平台模架全部越过斜墙段，外脚手架重新安装就位。

3 模架设计难点分析

1）本工程核心筒体型复杂，四面外墙同时向内斜向收缩且收缩幅度大，模架设计时需结合施工技术路线综合考虑主要受力构件、顶部爬升立柱、底部牛腿支撑的布置位置。顶部立柱支撑点会随斜墙收缩逐步内移、减少，底部牛腿支撑会随斜墙收缩变化数量，因此，在设计时需合理预设支撑点，使整体钢平台模架在各工况下均稳定可靠的支撑于混凝土结构。

2）整体钢平台模架随着斜墙施工变化体型，内筒拆改变化为体型二时，作业工况下东西侧顶部钢梁悬挑达6.65m，南北侧顶部钢梁悬挑达5.55m，且底部牛腿数量大幅减少，受力状态极其不利。为满足受力及变形要求，需对顶部钢梁、底部钢梁进行加固，制定安全可行的加固措施。

3）本工程施工过程中整体钢平台模架拆改变形次数多，且工程位于台风多发区域，需结合加固措施，针对整体钢平台模架不同体型状态分别建立有限元模型进行计算分析，确保模架在不同体型状态下施工的安全性。

4 各阶段设计计算要点

整体钢平台模架随核心筒形状变化不断调整，针对本工程整体钢平台模架的4 种典型体型，介绍主要的设计要点和加固措施，并对每种体型均建立有限元模型进行受力特性分析。

4.1 荷载及工况分析

整体钢平台模架施工中分为作业工况及爬升工况。整体钢平台模架结构的设计荷载包括恒荷载、施工活荷载、风荷载。

1）作业工况下恒荷载主要为结构自重，活荷载有平台顶部及内外脚手架上的施工荷载、顶部钢筋等材料堆载、模板荷载、布料机及施工升降机的施工荷载，风荷载按12 级风加载。

2）爬升工况下恒荷载主要为结构自重，活荷载仅有内外脚手架上的少量施工荷载，风荷载按8 级风加载。作业阶段底部牛腿作为模架的支撑点，爬升阶段顶部爬升立柱作为模架的支撑点。

4.2 模架体型一

4.2.1 设计要点

体型一为模架的初始状态，此时顶部共设置25 个爬升立柱支撑点，单点承载力40t；底部共设置28 个牛腿支撑点，单点承载力60t。顶部平台堆载区域设计荷载＜5kN/m2，内外脚手架设计荷载＜5kN/m2。

4.2.2 计算分析

应力比计算结果如图4 所示，由此可知，除部分钢平台筒架柱底部的应力比较大（为0.87 左右)外，大部分构件的应力比在0.65 以内；模架结构竖向变形如图5 所示，最大变形位于钢平台顶部东南角边缘悬挑位置，变形值为15.6mm；牛腿支撑反力大小分布如图6 所示，最大支座反力位于模架右下角，为571.6kN；爬升工况中爬升立柱支撑反力大小分布如图7 所示，最大竖向反力位于模架中部，为368kN；综上结果，模架结构的强度及变形均满足规范和设计要求。

图4 模架体型一应力比

图5 模架体型一竖向变形

图6 模架体型一牛腿反力

图7 模架体型一爬升立柱支撑反力

4.3 模架体型二

4.3.1 设计要点

模架变化为体型二时，外墙内侧部分内筒构件及支撑拆除。此时顶部共设置22 个爬升立柱支撑点；底部牛腿支撑点减少为16 个。顶部平台堆载区域变小，内筒构件拆除部分不能堆载，仅用于人员通行，可堆载区域设计荷载不变，内外脚手架设计荷载不变。

4.3.2 加固措施

此工况下四边顶部钢梁均为超大悬挑，为减小顶部悬臂钢梁变形、边侧内筒架柱的应力比及变形，在外圈增设14 根临时支撑柱支撑悬臂段顶部钢梁（图8）。临时支撑柱底端固定于墙体，柱与柱之间横向拉结。

图8 顶部钢梁临时支撑柱平面位置

此工况下底梁断开，剩余支撑多为单侧支撑，且牛腿支点位置受力较为不利，考虑剩余架体的稳定性及安全性，在底梁4 个角部设置临时加固装置（图9）。加固装置一端固定于钢平台底梁，一端固定于墙体。

4.3.3 计算分析

应力比计算结果如图10 所示，由计算结果可知，增设临时支撑柱后，所有构件的应力比均在0.66 以内；模架结构竖向变形如图11 所示，最大变形位于钢平台中部，变形值为12.3mm；牛腿支撑及临时支撑柱反力大小分布如图12 所示，最大支座反力为359.1kN；爬升立柱支撑反力大小分布如图13 所示，最大竖向反力位于模架中部，为320.6kN；根据临时支撑支反力结果，对临时钢柱进行计算分析，应力比最大如图14 所示，为0.47；对底梁加固梁进行计算分析，应力比最大如图15 所示，为0.51。

图10 模架体型一应力比

图11 模架体型一竖向变形

图12 模架体型一牛腿反力

图13 模架体型一爬升立柱支撑反力

图14 临时支撑柱应力比

图15 底梁加固梁应力比

综上结果，经过拆改后，模架结构的强度及变形均满足规范和设计要求，加固措施安全余量充足。

图9 底部钢梁加固装置平面位置

4.4 模架体型三、体型四

4.4.1 设计要点

钢平台架体结构在体型二的基础上拆除外脚手架及上部钢梁，变化为体型三，四边悬挑大幅减小且无下挂脚手架荷载（图16）；待模架全部越过斜墙段，外脚手架重新安装后，变化为体型四。体型三、四时模架面积缩小，顶部共设置16个爬升立柱支撑点，体型三底部共设置16 个牛腿支撑点，体型四时模架底部已到达直墙段，外墙位置可以进行支撑，启用底梁四边提前预留好的牛腿支撑，此时底部共设置22 个牛腿支撑点（图17）；各区域设计荷载不变。

图16 模架体型三立面

图17 模架体型四牛腿支点

4.4.2 加固措施

体型三时底梁位置还位于斜墙段，此时仍旧在底梁四个角部设置临时加固装置，顶部四边悬挑已拆除，无须设置临时支撑柱。

体型四为整体钢平台模架最终变化状态，此时顶部及底部支撑均位于直墙段，无须加固。

4.4.3 计算分析

综合分析，体型三、体型四与体型二相比，减小了悬挑长度、减轻了荷载、增设了支撑牛腿，计算时均为有利条件。计算结果显示，模架结构的竖向变形、主要结构的应力比都比较小，强度和稳定性余量充足。

5 各工况下施工注意要点

1）应按照不同体型状态严格控制模架顶部的施工荷载，尤其内筒构件拆除、四边超大悬挑的状态下，仅有内筒支撑的部分可以堆载，其余位置仅限人员通行，防止大悬挑状态下模架变形过大。

2）严格按照设计方案的要求进行加固，顶部14 根临时支撑柱位置预埋准确，保证垂直度；底梁四个角部支撑沿斜墙段逐层设置，施工时提前设置好埋件，底梁到位后立即进行加固，确保实际受力状态与计算假定一致。

3）本工程位于台风多发区域，台风来临前需要在模架结构与混凝土结构之间增设连接以增强整体性，确保模架结构的安全。施工时按照方案，不同体型状态下设计不同的连接件，将模架外脚手架与墙体上下多步拉结为整体。

6 结语

以厦门白鹭西塔工程为背景，介绍了变化复杂的超高核心筒整体钢平台模架的设计及计算。本工程核心筒27～31 层四面外墙同时向内斜向收缩且收缩幅度大，整体钢平台模架需随着斜墙施工变化体型，空中拆改次数多，通过分析不同阶段模架的体型特点，充分考虑施工过程中四边超大悬挑、牛腿单侧支撑等不利工况，对模架的典型体型状态进行设计、加固及计算分析，为项目的实施提供了技术保障。

目前，本工程核心筒斜墙段已施工完毕，通过实践表明，斜墙段不利工况下整体钢平台模架稳定可靠，针对性设计的加固措施安全有效，可供同类工程借鉴。