高空外挑大直径钢筋混凝土斜圆柱施工技术

王伟清,郑凌远,郑熙淳,焦 健,李江添,莫天芳

(1.中建四局第六建设有限公司,安徽 合肥 230000; 2.中建四局水利能源发展有限公司,广东 广州 510000; 3.中国建筑第四工程局有限公司,广东 广州 510000)

0 引言

随着现代城市化的不断发展,建筑造型也日趋多元化、复杂化,越来越多特色鲜明、主题突出的建筑涌现。为实现建筑新颖特异的外观并满足其使用功能的需要,建筑结构设计也随之变得新颖。为能更好地展现高层建筑独特的立面效果,其结构设计中广泛应用钢筋混凝土圆柱、斜柱等,其中不乏采用倾斜外挑柱、大直径圆柱等。当前,针对高度低、常规直径、向内倾斜的圆形混凝土柱施工的研究较多,其施工工况相对简单,相关施工方法可参考传统常规混凝土柱,施工技术较成熟。针对高空、外挑倾斜、大直径、圆形钢筋混凝土柱,施工存在一定难度,该领域也鲜有研究,值得进一步深入探讨。

本文以深圳某未来科技城项目为案例,分析该项目高空外挑大直径钢筋混凝土斜圆柱施工难点,设计模板支撑体系,研究施工工艺方法,并通过实际应用验证该模板支撑体系和施工方法的可行性。研究并总结高空外挑大直径钢筋混凝土斜圆柱施工关键技术,为同类工程施工提供参考。

1 工程概况

深圳某未来科技城项目位于宝安区大铲湾,占地面积12.6万m2,总建筑面积83.4万m2。项目含6栋18～24层高层塔楼,塔楼高度79.85～132.35m,为框架-核心筒结构。塔楼呈下小上大形状,为实现建筑外观效果,结构平面尺寸自下而上逐层外扩,外框设计有大量斜圆柱,斜圆柱自地下1M层起步,最高至12层,随后转为直柱,共883根斜柱。斜圆柱分布于结构外边缘,直径为900～2 100mm, 倾斜角度为1.8°～13.7°,最大水平总位移8 231mm,最大单层位移865mm,柱边缘距离结构边缘354～5 117mm。 各楼栋斜圆柱分布如表1所示。

表1 斜圆柱分布统计Table 1 Statistics of inclined-circular column distribution

以1号塔楼为例,斜圆柱平面分布如图1所示,单层共16根斜圆柱,图中无填充轮廓为柱起始位置,有填充轮廓为柱终点位置。

图1 1号塔楼斜圆柱分布平面Fig.1 Inclined-circular column distribution plan of No.1 tower building

高空临边斜圆柱无法采用搭设多排倾斜钢管架将荷载传递至楼板面的传统斜柱支模方式,需创新设计一套安全可靠的模板支撑体系。

斜圆柱数量多、直径变化多、倾斜角度不一,模板支撑体系需具备较好的通用性。高空外挑大直径钢筋混凝土斜圆柱的平面定位、倾斜角度、挠度及圆度控制是重点,需采取相关质量控制关键技术措施。

2 斜圆柱模板支撑体系设计

2.1 模板支撑体系设计需求分析

2.1.1基本设计需求

为满足工程施工需要,模板支撑体系必须有足够的强度、刚度和稳定性,以便承受新浇筑混凝土自重、侧压力和施工荷载及风荷载,达到模板体系不破坏、不变形、不倾斜和不摇晃,保证各构件形状、尺寸和位置符合设计要求;设计方案还应考虑施工搭拆方便及确保施工安全。

2.1.2重点功能需求分析

1)高空临边斜圆柱支撑体系设计 斜圆柱分布于结构外边缘,柱高>4.5m,圆柱向外倾斜,倾斜侧距离结构边缘354～5 117mm,多数距离<1 200mm, 导致现场无充足的空间及支撑点,无法采用搭设多排钢管斜撑柱身的传统斜柱支模方式。模板支撑体系设计时需选择合理的受力装置,解决支撑受力点问题,同时该受力装置尽量适用于不同倾斜角度的斜柱。

2)柱身挠度及圆度控制 混凝土未终凝前,不同于直圆柱模板只承受均衡的侧压力,斜圆柱倾斜一侧模板还承受了混凝土自重在倾斜方向的分力,使柱身发生弯曲挠度变形;此外,模板内侧压力不均衡,倾斜一侧大,与之相反一侧则小,使圆形模板径向内力无法抵消,导致圆度偏差。模板支撑体系设计时需考虑圆形模板轴向与径向刚度,解决柱身下挠变形与圆度偏差问题。

3)斜圆柱加固转换 斜圆柱表面为圆弧状,为使圆柱模板受力均匀传递至支撑体系,需在模板支撑体系设计时考虑圆形模板受力合理转换并传递至支撑装置,同时该转换装置尽可能适用于不同直径圆柱。

2.2 模板支撑体系设计

常用的圆柱模板包括钢模、铝模、木模、塑料模等,针对斜圆柱梁柱节点部位层层变化、柱截面变化、倾斜角度差异的特点,圆形木模相较其他材质模板在操作便利性、经济性、适应性具有显著优势,故采用定型化圆形木模板,配套钢带抱箍,形成斜圆柱模板支撑体系的基础。

2.2.1可调斜撑、斜拉受力装置

根据柱脚到结构边缘是否有可用于搭设支撑的充足距离为划分原则,以1 500mm为距离临界值,满足该距离则采用可调斜撑受力装置,否则采用可调斜拉受力装置。

可调斜撑受力装置由2根不同长度的可通过旋转调节长度的撑杆组成,顶部与加固转换装置连接,底部与底座埋件连接(见图2)。可调斜拉受力装置由2根不同长度的可通过旋转调节长度的拉杆组成,顶部与加固转换装置连接,底部与底座埋件连接(见图3)。撑杆(拉杆)与斜柱模板、已浇筑的楼板面形成稳定的三角形受力装置。

图2 可调斜撑受力装置立面Fig.2 Elevation of adjustable inclined supporting device

图3 可调斜拉受力装置立面Fig.3 Elevation of adjustable inclined pulling force device

为提高装置重复使用率,撑杆及拉杆的设计与铝模斜撑杆类似,可通用于铝模加固体系。撑杆(拉杆)螺纹旋转设计使其长度具有一定的可调范围,旋转螺纹杆可伸长或缩短。撑杆(拉杆)底端采用螺纹杆与底座铰接(见图4),使其可绕斜撑底座旋转,可调整支撑角度以适应不同倾角混凝土斜柱。

图4 可调撑杆(拉杆)Fig.4 Adjustable supporting rod (pulling rod)

2.2.2加固转换装置

为使斜撑(拉)装置与主次楞钢管具有可靠传力,解决圆柱模弧面荷载转换至平面的难题,设计了一种用于斜柱支模的加固转换装置。加固转换装置由竖向次楞方通、横向主楞方通及连接二者的三角楔组成,如图5所示。该装置将斜柱倾斜侧荷载集中至主楞方通上,主楞方通与斜撑(拉)装置相连,将荷载传递至已浇筑的混凝土楼板上,从而完成斜柱模板支撑。

图5 加固轻换装置Fig.5 Reinforced conversion device

该装置的竖向次楞方通及横向主楞方通均由60mm×40mm×3.2mm矩形钢管双拼组成,该材料为铝合金模板体系中常用的支撑背楞。竖向次楞方通直接承担圆柱模倾斜方向荷载,在斜柱倾斜一侧设置3道(倾斜侧中间1道,两侧各1道)竖向次楞方通,方通一面紧贴模板表面,另一面直接或通过三角楔连接横向主楞方通,可有效控制圆柱模下挠变形。横向主楞方通设置2道,分别布置在次楞方通中部、上部。

因斜柱直径随不同楼栋及楼层变化,为使加固转换装置可适用于不同直径的混凝土斜圆柱,三角楔可在一定范围内沿横向主楞方通滑动,使和三角楔固定的次楞方通与圆柱模板弧面相切。

2.2.3侧向稳固装置

在垂直圆柱的倾斜方向两侧各布置1道斜撑装置和次楞方通,可用于调节斜圆柱定位,限制其他方向位移,并可限制圆柱模向两侧鼓胀变形,控制圆柱圆度。

2.3 模板支撑体系受力分析

比较斜柱角度、圆柱直径,选用最不利条件下的斜柱支模,进行模板支撑体系验算。

将混凝土斜圆柱重力G分解为沿倾斜方向垂直于斜柱柱身的G1和平行于柱身的G2。其中,G1为对竖向次楞方通的均布荷载合力,经三角楔及横向主楞方通传递至可调斜撑(拉)装置,对可调斜撑(拉)进行模型简化后计算支撑体系受力;G2为平行模板方向的分力,根据流体内部压强特点,转换为圆形模板侧压力,对圆形模板进行侧压力验算。次楞方通受力模型如图6 所示。

图6 次楞方通受力模型Fig.6 Stress model of the secondary corrugated square tube

均布荷载沿次楞→三角楔→主楞→斜撑(拉)装置方向依次传递,并与地锚及2道斜撑(拉)杆提供的支座反力抵消。

2.3.1最不利工况分析

1)次楞方通最不利工况 根据力学分解模型可知,斜圆柱直径越大、倾斜角度越大,则q1越大。选择1号塔楼B型斜柱(直径D=2 100mm,倾斜角度α=7°)为最不利工况进行验算。

2)斜撑(拉)杆最不利工况 采用斜撑方式时,在地锚点位置不变的条件下,q1越大、倾斜角度越大,斜撑杆所受的压力P1,P2越大,同样选择1号塔楼B型斜柱为斜撑杆最不利工况进行验算。采用斜拉方式时,在地锚点位置不变的条件下,q1越大、倾斜角度越大,斜拉杆所受的拉力P1,P2越大,选择3号塔楼B型斜柱(直径D=1 800mm,倾斜角度α=2.7°)作为斜拉杆最不利工况进行验算。

2.3.2受力验算

经计算,次楞方通抗剪强度21.70N/mm2、抗弯强度67.39N/mm2、最大挠度1.337mm,均符合要求。斜撑杆最大内力为27kN,斜拉杆最大内力为6.91kN;最大长细比λ=94.3,受压构件稳定性N/(φA)=96N/mm2,承载力及稳定性均满足要求。

3 斜圆柱施工

3.1 施工流程

斜圆柱施工总体流程与传统柱类似,如图7所示。

图7 斜圆柱施工工艺流程Fig.7 Construction process flow of inclined-circular column

3.2 施工关键要点

3.2.1钢筋绑扎

斜圆柱钢筋笼自身刚度难以抵御自重引起的挠度,易产生变形。为避免变形过大,在绑扎过程中采用临时钢丝绳拉住斜圆柱上部1/3～1/2纵筋(见图8),钢丝绳一端环拉钢筋笼,一端固定绑扎在已浇筑板面预埋件上。

图8 斜拉钢丝绳临时固定主筋示意Fig.8 Temporary fixed main bar by cable-stayed wire rope

钢筋绑扎过程中,在柱钢筋笼倾斜侧箍筋上沿柱高每隔一定距离焊接1个钢筋定位支架,确保柱箍筋不会紧贴模板,使保护层厚度满足要求。

3.2.2模板支撑体系安装

先安装下倾斜弧面模板,再安装两侧弧面模板,最后去除吊拉钢筋的钢丝绳,安装上弧面模板,并用钢带固定。圆柱模竖向接长时,其接缝需错开。圆柱模合模并经钢带固定后安装斜柱支撑体系,具体如下。

1)安装可调斜撑(拉)装置并与预埋底座铰接固定。

2)将2道主楞方通及三角楔组装,再安装在中间次楞方通上,随后与斜撑(拉)装置连接,形成稳定三角形后,陆续将倾斜侧的剩余2道次楞方通固定在三角楔上。

3)旋转斜撑(拉)杆调节中间次楞倾斜角度,并使之与圆柱模表面贴近;滑动调节三角楔在主楞方通上的位置,使两侧次楞与圆柱模表面相切贴合。

4)将调整完毕的加固转换装置螺栓拧紧固定;用自攻螺丝或铁钉将次楞方通钉紧在定型化圆柱模下倾斜弧面。

5)安装垂直于圆柱倾斜方向两侧侧向稳固装置。先行将两侧次楞沿圆柱竖向固定在其表面,再安装斜撑并与次楞螺栓连接。

3.2.3测量定位及倾斜度调校

采用平面控制网量测斜圆柱底部和顶部外切矩形控制线,并采用全站仪投点圆柱中心以检查验证控制线的准确性。

斜圆柱模板与支撑体系固定后,用线坠将斜圆柱上口投影线从楼板引至上口位置,配合侧向稳固装置调整斜圆柱模板使之左右对准上层轮廓。采用激光数显倾角测量仪器吸附在次楞方通上(见图9),根据数值指示调整斜撑(拉)装置,使斜圆柱模板倾斜方向对准上层轮廓。

3.2.4安全防护措施

考虑到楼层下小上大、斜圆柱逐层外挑,悬挑部位支模采用斜撑支模方式,斜撑采用φ48×3.5钢管,与满堂盘扣架采用扣件连接。施工时操作人员临空作业,危险性较高,常见的爬架及双排脚手架不具有可行性。鉴于此,设计采用多排钢管脚手架(见图10),其随楼层外扩而逐步缩减立杆排数。

图10 多排外脚手架搭设示意Fig.10 Multi-row external scaffold erection

此外,为使斜圆柱模板支撑体系更安全可靠,提高该支撑体系稳定性,在2道主楞方通上再安装2道18号钢丝绳,并向内拉结至已浇筑混凝土楼板(见图11),作为安全保险措施。

图11 向内拉结钢丝绳安全保护措施Fig.11 Safety protection measures of wire rope drawn inward

3.3 施工实践

圆柱模为15mm厚定型化胶合板;主楞和次楞为60mm×40mm×3.2mm双拼方通;在次楞上1.8,3.6m处各设置1道主愣方通;垂直倾斜方向两侧各设单排2道支撑作为侧向稳固装置,主楞方通上挂2道18号钢丝绳内拉至楼板面。在倾斜方向设置3排斜撑受力装置(见图12)及2排斜拉受力装置(见图13),底部设置埋件。主、次楞连接部位如图14所示,斜圆柱成型效果如图15所示。

图12 斜撑式模板支撑体系Fig.12 Inclined supporting formwork support system

图13 斜拉式模板支撑体系Fig.13 Inclined pulling formwork support system

图14 主、次楞连接部位展示Fig.14 Connecting parts of the primary and secondary corrugation

图15 斜圆柱成型效果Fig.15 Forming effect of inclined-circular column

4 结语

本文以某未来科技城项目为案例,分析了高空外挑大直径钢筋混凝土斜圆柱施工重难点,创新设计了一套斜圆柱模板支撑体系,对该模板支撑体系进行了应用分析,并总结了高空外挑大直径钢筋混凝土斜圆柱施工关键技术要点。

研究表明,高空外挑大直径钢筋混凝土圆斜柱模板支撑体系安全可靠、方便快捷、质量可控,解决了斜柱造型带来的施工难题,且通用性好,施工效率高;与之相关的施工关键技术实用性好、针对性强,克服了一系列传统做法出现的缺点。该施工关键技术为类似斜圆柱施工提供了借鉴,具有实际推广意义,值得进一步深入研究。