22514m高空大跨结构高大模板支撑系统设计与施工.docx

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22514m高空大跨结构高大模板支撑系统设计与施工

51.4m高空大跨结构高大模板支撑系统设计与施工

卞国祥张传捷孟咸苏

（江苏省华建建设股份有限公司深圳分公司）

【摘要】本文对皇岗·卓越世纪中心工程酒店中庭高空结构模板支撑系统进行了介绍，对高空大跨结构支模系统施工技术要点、施工工艺、工序质量及过程控制进行了综合研究，对钢桁架平台作了内力分析计算，重点阐述了钢桁架平台制作和安装、拆除的施工方法。

【关键词】钢桁架焊接吊装模板支撑

深圳卓越•皇岗世纪中心（二标段）工程位于深圳市福田中心区，是一座集高档商业、酒店、办公、公寓于一体的建筑综合体，建筑面积为15万m2，地下室为3层，塔楼地上部分54层，总建筑面积15万m2。

该工程的酒店在26～39层设置了中空中庭，中庭的总高度为51.4m，东西方向（2-5～8轴）19.6m，南北方向（2-C～E轴）15m，中庭南、北两侧边跨的2-C轴和2-E轴处的梁截面尺寸为1000×800，东侧2-8轴梁的截面尺寸为600×1000，西侧2-5轴紧靠电梯井筒剪力墙；中庭南、北两侧的2-C轴、E轴框架梁对应37层、38层均有相应结构楼层的框架梁作支撑，梁尺寸均为800×800；中庭东侧2-8轴的大梁对应下面楼层在36层、38层有支撑大梁，大梁尺寸为600×1000，西侧的2-5轴为核心筒剪力墙。

由于酒店中庭中空高度达51.4m，中庭南北方向跨度达15.0m，安全要求高，施工难度大。

为确高空结构层的施工能安全和顺利地进行，综合考虑结构受力、安全可靠、经济成本等各方面因素，需精心设计模板支撑系统。

酒店中庭26～39层中空结构平面详见下图示：

图137层酒店中庭中空结构平面图

1支撑系统的设计与计算

1.1方案设计

由于酒店中庭高空结构高度达到51.4m，南北方向跨度达15.0m，模板的支撑不可能采用传统的一撑到底的满堂脚手架支撑系统。

经过多种方案比较，最终选择采用在37层结构平面架设钢桁架施工平台，然后借助于施工平台进行39层结构施工的方案。

首先，在37层（157.90m）结构平面安装钢桁架梁，桁架用I25a工字钢及L10双肢角钢焊接而成，上下弦杆均为I25a工字钢，腹杆采用L10双肢角钢背对背焊接，在加工时认真放样，确保弦杆、腹杆的形心汇交于一点。

根据39层结构平面形式，在2-6轴上的两支梁下各布置2榀钢桁架梁，在2-5～6轴跨中的梁下布置2榀钢桁架梁，在2-6～8轴跨内布置4榀钢桁架梁，这样，沿2-5轴往2-8轴方向依次共布置有10榀钢桁架梁。

所有钢桁架梁均在现场制作安装，2-5～6轴之间的两榀钢桁架梁（A型），以及2-6～8轴之间的4榀钢桁架梁（A型）的支座均与2-C、E轴梁上预埋件可靠焊接连接，2-6轴上的4榀钢桁架梁（B型）则搁置在柱面预埋的钢牛腿上，并与钢牛腿进行焊接连接。

钢桁架梁安装焊接完毕后，在垂直于桁架梁的方向上，每1.0m铺设1根I16工字钢搁栅，工字钢与桁架梁接触处焊接连接，为保证钢桁架施工平台的整体稳定性，在钢桁架的下弦杆件上，沿南北方向共布置4根通长I12工字钢与下弦杆进行焊接，加强施工平台的整体稳定性。

钢桁架支撑平台平面图见图2。

工字钢搁栅安装完毕后，立即对钢桁架平台进行安全防护，在工字钢搁栅之间满铺脚手板，并在施工平台面上满铺钢笆片，在工字钢搁栅表面上，根据上部立杆支撑的间距，焊接50mm高的Ø20的钢筋栓钉，供支撑立杆插入栓钉内。

此时钢桁架施工平台安装完毕，可以搭设满堂钢管支撑作为39层结构模板施工的支撑系统。

图2钢桁架支撑平台平面图

图3A型钢桁架梁详图

1.2受力计算

1.2.1计算简图和内力分析

考虑最不利荷载，验算2-6轴位置结构梁下钢桁架梁。

桁架各杆件的内力按铰接分析计算，计算简图如图4。

桁架内力计算结果如表1、2，型钢模型图如图5。

计算简图（圆表示支座，数字为节点号）

节点编号图

单元编号图

图4：

桁架受力计算简图

表1：

轴力N最大的前10个单元的内力（单位：

M,KN,KN.M）

序号

单元号

组合号

组合序

位置

轴力N

剪力Q2

剪力Q3

扭矩M

弯距M2

弯距M3

0.000

782.9

0.3

0.0

-10.3

0.000

774.3

1.1

0.0

-9.0

0.000

774.2

-0.2

0.0

-10.4

0.000

630.0

2.2

0.0

-5.4

0.000

630.0

2.2

0.0

-5.4

0.667

372.4

2.9

0.0

-2.0

0.000

372.4

3.2

0.0

-0.0

0.167

342.9

5.8

0.0

4.7

0.167

342.9

14.9

0.0

3.2

0.000

342.9

-5.4

0.0

-0.0

表2：

弯距M3最大的前10个单元的内力（单位：

M,KN,KN.M）

序号

单元号

组合号

组合序

位置

轴力N

剪力Q2

剪力Q3

扭矩M

弯距M2

弯距M3

0.000

342.9

15.0

0.0

5.7

1.000

342.9

-5.9

0.0

5.7

0.000

342.9

15.0

0.0

5.7

0.000

342.9

5.9

0.0

5.7

0.000

27.8

14.5

0.0

0.7

1.000

27.8

-10.0

0.0

0.7

0.000

27.8

14.5

0.0

0.7

1.000

27.8

-10.0

0.0

0.7

0.000

372.4

3.2

0.0

0.000

0.0

图5：

普通工字钢及双拼普通角钢（等肢）截面示意图

1.2.2荷载计算

1.2.2.1上部荷载计算

以39层平面2-6轴位置的L6（800×800）梁及周边板进行支撑设计验算（荷载最大），梁计算长度取1m（立杆的纵距），梁下设置3根立杆；板宽按钢结构桁架梁两侧的净距2475+1825计算一半，长度取1m；D轴线板部位的次梁：

梁L14（300×750）减去板厚后计算梁荷载，计算长度按板的计算宽度。

每一根800×800砼大梁下对应设置二榀钢结构桁架梁，在6轴-7轴、7轴-8轴跨中各设置一榀钢结构桁架梁。

砼大梁的计算荷载：

（1）、梁、板模自重均数0.3×（0.8+1.3）×1=0.363N

（2）、新浇砼自重24KN/m3×0.8×0.8×1=15.36KN

（3）、钢筋重量0.8×1×0.8×1.5KN/m3=0.96KN

（4）、振捣产生的荷载2.0KN/m2×0.8=1.6KN

竖向荷载合计：

[

（1）+

（2）+（3）]×1.2+（4）×1.4=22.6KN

大梁周边150厚楼板荷载：

（1）、梁、板模自重均数0.3×1×2.14=0.64KN

（2）、新浇砼自重24KN/m3×2.14×0.15=7.7KN

（3）、钢筋重量2.14×0.15×1.5KN/m3=0.48KN

（4）、振捣产生的荷载2.0KN/m2×2.14=4.28KN

竖向荷载合计：

[

（1）+

（2）+（3）]×1.2+（4）×1.4=16.57KN

排架立杆及剪刀撑荷载：

〖3.9×5×0.5+（0.8+2.15）×3×0.8+3.9×1.14×2〗×38.4=1.5KN

次型钢梁的自重：

（2．14+0.8）×0.2=0.58KN

⑤300×750次梁荷载：

梁模自重及由振捣产生的荷载不参与计算，因为在计算板时均已计入，梁计算高度为750-150=600）

（1）、梁、板模自重均数（不参与计算，因为该部位位已计算板的荷载）

（2）、新浇砼自重24KN/m3×0.3×2.14×0.6×0.5=4.62KN

（3）、钢筋重量0.3×2.14×0.6×1.5KN/m3=0.57KN

（4）、振捣产生的荷载（不参与计算，因为该部位已计算板的荷载）

竖向荷载合计：

[

（1）+

（2）+（3）]×1.2+（4）×1.4=6.22KN

验算主型钢梁承载力：

钢结构桁架梁布置在38层,立杆沿梁纵向布置间距为1000，每根钢结构桁架梁承受的集中荷载为：

P1=47.47KN/2=23.7KN，取P=24KN。

1.2.2.2钢结构桁架梁与柱相接的预埋件抗剪复核

每榀钢结构桁架梁按最大支座反力设计值：

NZ=247.3KN

M=247.3×75=18547KN·mm

由于钢结构桁架是直接搁置在牛腿上，埋件的轴向力N=0

As=247.3/（0.9×0.52×210）+18547/（1.3×0.9×0.8×210×350）

=27.76cm2

取6Ф25，As=6×4.9=29.4>27.76cm2（满足设计和规范要求）

1.2.2.32-C、E轴上Kl11大梁的砼局部承压及承载力复核

混凝土强度为C30，βc=1.0α=1.0

Al=Aln=250×250=62500mm2

Ab=250×3×（250+475）=543750mm2

Acor=750×800=600000mm2

βl=（Ab/Al）1/2=2.9

βcor=（Acor/Al）1/2=3

a、验算截面尺寸限制条件：

1.35βcβlfcAln=1.35×1.0×2.9×15×62500=3670KN>24×7=168KN

b、验算局部受压承载力

Ρv按公式计算可得0.011

=0.9×（1.0×2.9×15+2×1.0×3×0.011×210）×62500

=3232KN>24×7=168KN（满足设计要求）。

1.2.2.42-6轴B型钢桁架梁支座钢牛腿的焊缝验算

钢牛腿由二条水平焊缝和二条竖向焊缝连接，考虑剪力全部由二条竖向焊缝承受，而弯距则由全部焊缝承受，钢牛腿的连接均采用角焊缝，钢牛腿焊接大样详图6。

M=F×e=168×7.5=1260KN.cm

V=F=168KN

图6：

钢牛腿焊接大样

取hf=8mm<1.2tmin=1.2×10=12mm

>1.5tmax1/2=1.5×201/2=6.7mm

二条竖向焊缝的有效截面积：

Afw=2×0.7×0.8×36=40.32cm2

全部焊缝有效截面积对x轴线的惯性矩和抵抗矩：

Itw=2×（1/12）×0.7×0.8×362+0.7×0.8×（20-1）11.522+2×0.7×0.8（10-0.5-0.56）8.962

=2288cm4

Wfw=2288/11.8=193.cm3

对于A点：

承受由弯距产生的垂直于焊缝长度方向的应力

б=M/Wfw=1260×104/（193×103）=65N/mm2<βffwtw=1.22×160=195N/mm2

对于B点：

承受由弯距和剪力产生的共同作用

бMfB=65×89.6/115.2=50.55N/mm2

ｔVfB=F/Afw=168×103/（40.32×102）=41.66N/mm2

（（бMfB/βf）2+（ｔVfB）2）1/2=58.75N/mm2

1.2.2.5钢桁架焊缝验算

a、钢桁架与柱子上预埋件相接的焊缝验算：

此部分的焊缝是角焊缝，根据弯距包络图，在桁架两端，弯距不考虑，仅考虑剪力全由焊缝承担

б=N/（lw×t）

b、双肢L10与连接耳板的焊缝验算

验算中只考虑轴力，不考虑次弯距，轴力可由桁架内力表可得：

б=N/（lw×t）

N根据计算表，取最大值256KN

c、钢结构桁架梁上下弦杆连接双缀板的焊缝验算

根据计算表：

N=782.9KN

б=N/（lw×t）

2材料和设备要求

方案中选用的各种建筑材料必须有出厂合格证明，应符合国家及主管部门颁发的产品标准,并符合方案要求。

2.1钢管

立杆、斜杆、横杆均采用Ф48×3.5普通焊接钢管，钢管必须有出厂合格证，两端切口需平直，不得有斜口、毛口、卷口等现象，更不得使用锈蚀、弯曲、压扁、裂缝的钢管。

扣件在使用前必须进行检查、保养，不得有变形、滑丝裂缝以及其它不允许的缺陷，扣件要有出厂合格证。

2.2模板

采用优质18mm厚胶合板，50×100木枋，要求大面尺寸一致，小面不变形、无死节、无断裂。

安全网必须有出厂合格证和深圳市安监站颁发的准用证，不得使用已经腐烂或破损严重的安全网，当对其质量有怀疑时，要做冲切破坏试验。

脚手板采用钢笆片，钢笆片采用Φ10和Φ6圆钢点焊制成。

规格为800×1000mm，每块重7.9kg。

2.3型钢、钢板

钢桁架梁的上下弦杆均为I25a工字钢，双肢腹杆为L10角钢，钢材均为Q235，f=215N/mm2。

电焊条采用E43型焊条，焊条必须具有出厂质量证明书。

如须改动焊条型号，必须征得编制人的同意。

严禁使用过期、药皮脱落、焊芯生锈的焊条。

焊接前将焊条进行烘焙处理。

所有焊缝均为二级焊缝。

2.4设备

本工程塔吊型号为“川建HB-36B”，回转半径60m，额定起重力矩250t.m，最大起重量12t。

最大幅度60m，起重量3.6t。

单榀桁架最重为2.01t，桁架制作场地距塔吊最大距离32.0m，在塔吊安全使用范围内。

3施工工艺

3.1桁架焊接施工及加载试验

3.1.1焊接

3.1.1.1型钢加工时应根据工艺要求预放焊接余量以及切割、刨边和铣平的加工余量。

腹杆端部冼平，焊缝区表面的毛刺、锈、油污清除干净,使钢材表面露出银灰色。

施焊前，要复查焊缝区的处理情况，如不符合要求，修整合格后方可施焊，焊条使用前必须按照质量证明书的规定进行烘焙。

3.1.1.2焊缝出现裂纹时，焊工不得擅自处理，须申报技术负责人查清原因，订出修补措施后才可处理。

3.1.1.3严禁在焊缝区以外的母材上打火引弧，在坡口内起弧的局部面积应熔焊依次，不得留下弧坑。

焊件两端应配置引弧板，其材质和坡口形式应与构件相同。

焊接完毕用气焊割除并修磨平整，不得用锤击落。

3.1.1.4为了减少焊接变形与应力，采取如下措施：

⑴焊接时尽量使焊缝能自由变形，焊接要从中间向四周对称焊接。

⑵收缩量大的焊缝应先焊接。

3.1.1.5为减少下料误差及确保桁架的顺利安装就位，在下料前至

现场实际测量预埋件之间的距离。

3.1.1.6所有焊工须持证上网，并在各自焊接位置处实名标识。

3.1.2桁架加载试验

桁架焊接完成后，在基地预拼装进行加载试验。

将一对桁架连

成空间体系按方案间距每榀两端悬空搁置在角钢支架上（角钢支架采用

8×8等边角钢焊接而成，上口焊接10厚钢板，角钢支架示意图如图5所示），上铺工字钢搁栅，向上累加塔吊标准节（重量990kg/节）和塔吊

配重（1.64T/块），慢慢加至方案荷载，静至一天，认真检查焊缝、挠度，图7：

角钢支架示意图

试验合格后运至现场拼装。

试验方法如下：

⑴试验荷载计算和取值

荷载组合后的标准值F=782.9KN。

由于该桁架为临时性结构而且还要在工程中使用，故以荷载设计值为试验值。

⑵加载步骤：

第一步：

增加方案设计外力的25%；

第二步：

增加设计外力的25%；

第三步：

增加设计外力的25%；

第四步：

增加设计外力的25%；

共增至设计荷载的100%，施加荷载时要均匀增加，每步之间的间隔时间为1小时。

进行一～三步加荷时对桁架进行观察，如果桁架有明显挠度、焊缝破坏等异常情况，应停止加荷，经查明原因后，再进行试验，直至一切正常为止。

次日24小时后卸载，记录整理沉降变形结果。

卸载分四步，每步卸载设计外力的25%，每步之间的间隔时间为1小时。

⑶试验加载数据

通过逐步加工，钢桁架梁的最大挠度变形值为26mm，钢桁架梁的各条焊缝性能稳定，未出现破坏拉裂现象，满足设计和规范要求。

⑷实际挠度观测

依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003），受弯构件的挠度容许值的规定。

每一榀钢桁架梁加载前，在桁架梁上的每一根立杆上的1.0m标高处做好水平控制线点的标志，并在两端通长设置一道水平细线。

在加载到位后测量水平细线与各立杆标志线之间的距离，所实际测量值即为桁架受力后的实际挠度，实际挠度与梁跨长的比值限制在L/400（即小于37mm），同时委托材料试验公司试验，在支座上和跨中的下弦底部分别布置百分尺测量荷载变形曲线。

最终实测结果：

在39层结构混凝土浇筑完成后，钢桁架梁的挠度变形值最大，其中，最大挠度变形出现在2-6轴位置处的钢桁架梁上，变形值为12mm，其余挠度一般均在0.5-0.9mm之间，所测量数据远小于加载试验时的数据（26mm），满足挠度限值要求。

在混凝土终凝后24小时，再次观测，钢桁架梁的挠度变形出现回降，最大挠度变形值降为0.9mm，其余一般变形值降至0.3～0.5mm之间。

⑸施工结论

通过桁架预拼装进行加载试验，钢桁架的承载及变形情况得到了直观的反映。

从试验情况可以看出，钢桁架的强度、变形及焊缝都与计算情况相吻合，并有一定的安全富余，能够满足现场支撑的要求。

在以后的高空模板支撑的设计与施工中，可以推广采用。

3.2钢桁架平台施工

3.2.1预埋件施工

在37层结构平面施工时，按方案中桁架梁的平面布置，在2-C、E轴梁以及2-6轴柱的相应位置埋设预埋件。

预埋件所在梁KL11截面尺寸为800×800，受拉区和受压区配筋均为24、20Φ32（三级），混凝土强度等级C30。

预埋件的制作必须严格按照方案的要求进行，在预埋时要仔细定位并用水准仪进行抄平，并用经纬仪复核其轴线位置，在混凝土浇筑过程中由专人负责检查，避免移位。

在2-5轴核心筒剪力墙上，为保证次型钢梁的搁置，将2-5轴核心筒剪力墙的水平施工缝设置在37层h+0.50m标高处，对应次型钢梁位置，在剪力墙上预留出搁置次型钢梁的预留洞口。

3.2.2钢桁架梁的安装

待37层结构混凝土达到设计强度后，即开始进行钢桁架梁的安装施工，桁架梁的上弦杆与预埋件（梁面预埋件见图8）可靠焊接，焊接前，对桁架梁的垂直度和水平度同步进行监控，确定水平和垂直后，固定焊接完成。

图8预埋件详图

3.2.3施工平台的施工

图9∩形卡设置图

10榀钢桁架梁焊接安装完成后，在垂直于钢桁架梁的方向（东西方向）每隔1.0m通长铺设1根I16工字钢次型钢梁格栅，次型钢梁在2-5轴处，直接搁置在剪力墙上的预留洞内，在2-8轴处，次型钢梁穿入2-8轴梁面设置预埋的∩形卡（见图9）中，加焊Ф20钢筋，其它部位与钢桁架梁焊接连接，次型钢梁逐条焊接完成后，为防止钢桁架梁在平面内发生次失稳事故，增强钢平台的整体稳定性，在钢桁架梁的下弦杆工字钢面上，用4根通长I12工字钢将10榀钢桁架梁焊接连接，确保钢桁架梁从上、下两个平面内，形成一个整体的稳定操作系统。

在次型钢梁工字钢格栅之间的空隙处，满铺脚手板，最后再满铺钢笆片，并与工字钢扎牢，满扎密目式安全网。

3.3模板及支撑系统施工

39层结构模板及支撑采用十八厚胶合板模板及满堂钢管排架支撑系统。

排架立杆支设在工字钢搁栅上，在工字钢上的立杆位置焊接50mm高Ф20钢筋栓钉,排架的底部设纵横向水平扫地杆，排架的立杆间距：

纵横方向均为1000，排架水平杆步距为1500，支撑形式：

梁下为活动钢支托支撑，板下为双扣件支撑形式。

模板安装前应把模板面清理干净，并刷好脱模剂，脱模剂应涂刷均匀，不得漏刷，并按规格堆放。

梁底模板：

按设计标高调整支撑的标高，然后安装梁底模板，并拉线找平，主梁跨中梁底处按主梁跨度的千分之二起拱，起拱的高度与桁架梁的理论挠度变形值基本一致，设置为30mm，次梁不起拱。

主梁底立杆高度为7.80mm，在37层竖向结构柱上，设二道水平拉杆与已浇筑完成的柱等竖向构件进行拉结，垂直方向上，沿梁长度方向设置垂直剪刀撑，剪刀撑沿全高、全长连续布置，在水平方向上，自最顶部向下第二道水平杆布置第一道水平剪刀撑，然后向下每三步设置一道水平剪刀撑，这样，在整个竖向平面内，共布置3道封闭的水平剪刀撑，与周边墙、柱顶牢。

楼面模板铺完后，应核验标高并认真检查顶撑系统是否牢固。

模板梁面、板面应清扫干净。

模板支撑系统图见图10。

图10模板支撑系统图

3.4模板支撑系统的拆除

3.4.1模板拆除

⑴应先拆梁侧帮模，再拆除楼板模板，楼板模先拆水平杆，然后模板支撑，每根搁栅留1-2根支撑暂不拆。

⑵操作人员站在已拆除的空隙，拆去近旁余下的支撑使其搁栅自由落下。

⑶用钩子将模板钩下，等该段的模板全部脱模后，集中运出，集中堆放。

⑷梁侧模在混凝土浇筑三天后拆除，确保混凝土表面及棱角不受损坏，梁板底模必须待同条件养护试块强度达到100%，接到项目部技术负责人发出的书面通知后才能拆除。

⑸拆下的模板及时清理，拆下的扣件及时集中收集管理。

3.4.2施工平台的拆除

在上部排架支撑系统拆除后，准备施工平台的拆除。

拆除之前，由项目部技术负责人发出书面拆除通知，并召开拆前技术安全交底会。

拆除时，周围要设围栏或警告标志，并有专人指挥，主要进出口要张挂醒目的标志，并派专人看守，禁止闲人进入。

拆除顺序：

先清除平台上的所有钢笆片、脚手板、安全网等材料和杂物，而后先拆除钢桁架梁下弦杆上I12工字钢拉杆，再从中间向两侧对称拆除次型钢梁，次型钢梁拆除时分段进行，采用2只5t手动葫芦在两侧楼面的空阔地带作水平牵引至2-C、E轴洞口边，固定后解体拆除。

3.4.3钢桁架的拆除

钢桁架梁的拆除在所有次型钢梁I16工字钢搁栅拆除后进行。

将2只5t手动葫芦一端通过39层相应大梁上预埋的￠22园环下的滑轮，扣结在39层周边的柱上，一端吊牢整体钢桁架梁，在钢丝绳处于受力状态后，将桁架与预埋件之间的焊缝进行割除。

用2只5t手动葫芦均匀对称牵引，慢慢将桁架拉至楼层安全地带，然后解体、下运。

4结语

4.1高空结构的模板支撑系统的设计与施工近年来在越来越多的工程中得到应用，高空架设钢桁架平台作为施工平台是其中的一种重要方法。

必须要有正确的计算分析、严格的质量控制、合理的施工方法、可靠的安全措施方可保证高悬空结构施工的顺利进行。

文中对其设计

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