【毕业学位论文】（Word原稿）昆山体育场柱顶环梁、牛腿模板支撑技术-土木工程

毕 业 论 文 课题名称 昆山体育场柱顶环梁、牛腿模板支撑技术 系 别 土木工程系 专 业 建筑工程 班 级 09 春 姓 名 秦 焱 学号 3200709320242 指导老师 江宜城 毕业设计 （ 论 文）任 务书 系 土木工程系 专业 建筑工程 年级 2009 春 班级 姓名 起止日期 设计题目 昆山体育场柱顶环梁、牛腿模板支撑技术 1毕业设计（论文）任务及要求（包括设计或论文的主要内容、主要技术指标，并根据题目性质对学生提出具体要求） 2毕业设计（论文）的原始资料及依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境等） 3主要参考资料、文献 指导教师 江宜城 年 月 日 指导教师评语 建议成绩： 优 良 中 及格 不及格 指导教师签字 年 月 日 最终评定成绩： 优 良 中 及格 不及格 系主任签字 年 月 日 s up up of in of to of it is by at of In of is in a is to is of is 50 of 6 is of 6. of is 3 to 7.3 8.6 6 of 摘 要 随着我国改革开放和现代化进程的加快，我国的建设规模正日益增大，如何保证建筑工程质量的同时也能使工程能长久的安全使用下去，日益受到各级政府和社会各界的广泛关注 。在众多的土木工程建设中，支撑技术的应用面之广，使用次数之多是很多 见的。尤其 近年来，一种 较新 、牛腿模板 技术正在快速发展并且运用到许多实际工程项目中。 昆山体育场柱顶环梁为异形截面，沿双曲闭合轴线总长约 650m，单位长度结构自重达 6吨，净空高度从 2m 到 16腿是钢、膜屋盖的支座，共 26 个，其悬挑部分的钢筋混凝土自重最大者 57 吨，最小者 43 吨，净空高度从 等，其中有 16个净空超过 10 关键词 ： 环梁 牛腿 模板支撑体系 承载力 整体固接 变形协调 杆群 刚度 复合刚体 目 录 摘 要 引 言 1 1、 工程概况 2 筑概况 2 梁、牛腿结构概况 2 2、支撑技术综述 2 术重点 2 2 6 8 8 8 8 9 10 致谢 10 参考文献 11 昆山体育场柱顶环梁、牛腿模板支撑技术 引言 随着我国改革开放和现代化进程的加快，我国的建设规模正日益增大，如何保证建筑工程质量的同时也能使工程能长久的安全使用下去，日益受到各级政府和社会各界的广泛关注 。在众多的土木工程建设中，支撑技术的应用面之广，使用次数之多是很多 见的。尤其 近年来，一种较新、牛腿模板 技术正在快 速发展并且运用到许多实际工程项目中。 昆山体育场柱顶环梁为异形截面，沿双曲闭合轴线总长约 650m，单位长度结构自重达 6吨，净空高度从 2m 到 16腿是钢、膜屋盖的支座，共 26 个，其悬挑部分的钢筋混凝土自重最大者 57 吨，最小者 43 吨，净空高度从 等，其中有 16个净空超过 10 筑概况 昆山体育场总建筑面积约 m，设固定席位 28000座，置一层包厢区，整个看台和比赛区为开放式的空间，主体为现浇钢筋砼 框架结构，钢膜屋盖。 梁、牛腿结构概况 环梁为异形截面，有外廓截面 1930 1600，平底宽 1280930 2100，平底宽 1030种类型，沿双曲闭合轴线总长约 650m，如图 1 所示。该梁在模板支撑方面比较复杂的有两种，其一是整梁净空高度均较大，最高达 10m，其二是梁的一部分下有已完成的可受荷结构，净空从约 2m 至 5m，而另一部分下部即是二层楼面，净空达13m 至 16m；牛腿是屋盖 钢结构的支座，共有 26 个，体型较大，正面宽度为 腿悬挑部分结构自重最大的达 57吨，最小的亦 达 43 吨，侧面形状如图 2 所示，牛腿底面净空高度从 中 16 个最小净空超过 10m，相邻牛腿的侧面距离均在 24m 至 27m，是二层楼面以上最外围结构，模板支撑体系的布置有一定的难度。 2 支撑技术综述 术重点 载能力 （ 1）力学模型 环梁模板支撑体系的承载能力按平底处的核心截面进行处理。横楞受荷模型如图 3，此时的最大弯矩为 m，为两侧第二支座的负弯，跨中弯矩内两跨稍大，为 2 牛腿 图 1 环梁 图 3 环梁横楞受荷简图 30图 4 牛腿模板表面荷载作 用 图 5 荷载作用图 m，最大支反力为 在第二支座。按照荷载组合的规律，偶数跨模型 在两侧荷载的实际作用下，第二支座处的反力和负弯将削弱，中间支座的反力和负弯将有所增加，但异形部位荷载有限，最大负弯和反力基本上是持平的，而第一支座的反力和负弯则增长较快，但远不能超 越最大值。该模型的建立既充分发挥了支撑体系边缘杆件的作用，同时又缓解了部分杆件的受荷，使体系各杆件的受力更加均衡，提高了材料的使用 效率，节省了材料总用量。 牛腿净空较小的直接采用普通钢管扣件体系，净空较大的（ 10m 以上），因侧向刚度太低，周边难于有效支撑，采用型钢 支架与钢管扣件组合体系，为确保安全，按体型最大的 一个为设计基准，在表面荷载的处理上，合理划分了荷载的影响范围，考虑了斜角分力，如图 4 所示 ,以最接近实际情况的梯形分布为表面荷载作用形式，如图 5所示。整个支撑平台由 4榀型钢支架组成，钢管排架的横楞正好也是偶数跨，如图 6所示，两端较短的悬臂改善了横楞的受力状况，各支反力比较均衡，使得下部钢支架的受力状况基本一致，大大降低了整体变形的差异。钢支架由型钢梁和斜撑组成，根部及中间连接均为螺栓连接，简化为铰性约束原因有二：其一，根部约束若视为固定约束，施工时势必要采取转角约束措施，增加了连接的复杂程度，过于强化了连接的 作用，而铰性约束因允许发生转角，施工时容易保障，且操作简单；其二，中间连接视为饺性约束是有意放弃固定约束的传荷作用，提高钢支架的安全设计参数，钢支架受荷模型如图 7所示。 （ 2）荷载传递及内力计算 本文仅以钢支架的设计计算为例。荷载作用图中的最小面布荷载为 46.7 kN/m，根部最大面荷载为 99.8 kN/m，则面布荷载的变化率为 q=（ kN/m m，钢梁间距 400杆按 400 400 布置，沿胶4 0 04 0 04 0 04 0 0lq lq 钢支架受荷简图 图 6 牛腿排架横楞受荷简图 q m mq m m 合板底横楞间距为 l=400/62根部往上取 5跨木方计算。 从根部起各排横楞线荷载计算通式为： =kN/m (i 为从根部起立杆的排数编码 ) 算得荷载分布三角形心点 q=kN/m 线荷载为 kN/m 反力计算： （ 42（ 立杆压力值： N=F （ （ 立杆水平力： H=F 根据推算出的立杆压力和水平力的计算通式，所有立杆传递的压力和水平力均可准确计算出，此即作用于钢支架上的荷载，最大压力值达 得图 7 中 A、 B、 01.1 6.3 01.1 24.8 01.1 24.8 撑的轴力为 N=61 体系的水平力为 H=101.1 工时排架搭设，砼浇筑控制（加载方式）均有许多不定因素，为了保证钢支架的安全，在内力计算时，对荷载分布进行调整，但保持总剪力不变，如图 10、图 11所示： （一）计算 伸段各立杆压力值用该段平均值取代，也即是将合力作用线外移，增加负弯。 （二）计算跨内正弯时，跨内各立杆压力值从根部起依次对 称取代，而延伸段保持原值。如此，将最大正弯截面转移至跨中，原正弯极值点必然被调整后的数值包络。 计算单元受力图 图 9 横楞荷载传递图 （三）计算剪力时，按原值作用，保持总剪力不变。 算得 | ） =N m 3）截面设计 本文所指之承载能力包涵了结构自身的强度、稳定及变形能力。根据强度指标试算，钢梁选用 撑选用 150 （一）钢梁强度验算 =x=106/10= b + =205 （三）斜撑受压稳定验算 斜撑中部设置双向约束，约束面与杆轴垂直。则 l 1.5l= =l0/i=得 = m=111，属于弹塑性屈曲范畴， =136 10 计算 B 支负弯荷载图 图 11 计算 1 跨正弯荷载图 1 4 图7 . 1 4 =N/ A=106 136 四 ）钢梁挠度验算 悬挑端最大挠度 fs s M M 为单位力产生的， 各立杆压力产生的，图 12中所示为单位力 4 号立杆压力 据图乘法算得： f=2000/400=5内最大挠度 f=3000/400= 4）连接及支座设计 焊脚尺寸统一为 8大焊缝应力值为 60应力，螺栓连接最大连接复荷为 t/4=4 座主要是 A 支的抗拔能力， d 0， d 0=398 la/d=16d=35，取 35d=875 000 整体固接是通过构造杆件与已浇筑看台的模板支撑进行拉接，形成大面积平、垂交错的空间刚片，保证模板支撑体系的整体稳定；变形协调主要是环梁支撑体系内外两部分高低悬殊（高差达 11m），且高杆群侧向刚度非常小，导致杆群的压缩变形不协调，可能会成为环梁模板直至整个支撑体系倾覆的诱因， 围绕压缩变形关系 =A，通过增加独立约束，其一是相当于缩短了高杆群的长度 l，其二是逐次分散高杆群的压力值 N，其三是增加的杆件对高杆群的压缩刚度 柱顶环梁在模板支撑搭设最复杂的情形是梁的一部分下有已完成的可受荷结构，净空从约 2m，而另一部分下部即是二层楼面，净空达 13m 至 16m。如图 13 所示。因高架体的宽度小，高杆群的高宽比很大，最大达 向刚度非常低，在横向力作用下，容易发生侧鼓扩大不协调变形导致失稳。主要措施是在每个楼层边缘框架梁上以60以上倾角每隔 2榀搭 设一道斜杆，然后在每个楼层至少向内侧看台的支撑打 2道水平杆，同时以 45角向内打剪刀撑，保证环梁支撑与已浇筑构件的支撑拉接 4排以上立杆，则斜杆与各水平拉杆、剪刀撑形成了高杆群在各楼层的独立约束刚片，每个结构轴线跨间内的 8个独立约束刚片组成了高杆群在各楼层的独立双向约束。图 13 环梁支撑图 图 12 挠度计算弯距图 整梁净空相同的环梁，不存在几何变形明显不协调的问题，主要是支撑体系的高宽比偏大，约 搭设水平杆和剪刀撑与看台支撑进行固接，形成可靠的横向力约束，支撑自身的稳定刚度能够满足使用。 牛腿钢管扣件体系布置立杆间距为 400 400，水平杆 图 14所示，立杆与横楞三扣件连接。搭设时，从牛腿两侧各拓出一排立杆，增加架体的宽度，小为 杆件密度非常高，其间隙已接近人员操作面的最低限度，其竖直组合线刚度达 326m，整体稳定能力完全能够满足使用。支撑体系产生的大水平推力，在上部横楞，沿牛腿斜边每个立杆跨间均设一道斜杆，体系的水平杆采用密设，而后在每道水平杆部位与柱后侧模固定。斜杆与水平杆因夹角关系组成了一个体系内部无自由度的刚片，因斜杆与立杆无连接关系，加之各节点均有双向水平杆，水平推力由该刚片传递 至立杆时属节点传力，使得水平推力与竖向压力在体系内部进行偶平衡，不对立杆产生附加力偶矩。 净高超过 10m 的 16 个牛腿的模板支撑已不适合直接从二层楼面搭设，我们采用型钢支架为平台，将上部支撑搭设在钢支架上，大大降低上部支撑的高度。钢支架布置情况为：钢梁为 522a 工字钢 4根，斜撑为 150 根，节点板为 14 轧钢板，钢梁锚栓由 25变形钢筋加工而成，斜撑锚栓由 28 变形钢筋加工而成，螺母均为连接用钢套筒，螺栓连接为普通 栓。钢梁顶面距牛腿顶面 6m，钢梁中心线距斜撑支座 中心 4m，钢梁悬挑 2m，斜撑角度约 50，支座即是已浇筑的柱身，下部柱绑扎钢筋时，按确定的间距和标高预埋锚栓，拆模后待砼达到 50%以上强度以后即开始吊装支架，上部受拉部位至预留面间的混凝土比设计提高一个等级。砼预留面的位置比钢梁锚栓高约 7001100保证锚栓的有效嵌固。钢梁的悬挑长度是按上部梯形分布荷载确定的，支点处的负弯矩与跨内正弯矩很接近，根据内力与变形的微分关系，支点左右截面的转角与跨内弯矩极值点左右截面的转角也很接近，也即，支点左右两部分钢梁的受荷情况较为均衡，两部分的最大变形能互相削减， 最终极大变形量很小（计算为 2辅助排架后更小），这对上部支撑的稳定及砼结构的成型质量都有重要意义。由于钢支架及整个图 14 牛腿支撑图 图 15 钢梁整体固接图 上部支撑的宽度均较小，仅 向稳定是支架安全的关键因素，我们采取了三项措施：其一是将 4根钢梁连接成整体，分别在跨内中间、支点附近和悬挑端头部位上下各设一根水平钢管，每根钢梁两侧用钢管顶紧扣牢，形成工字钢翼缘的侧向约束，保证单根钢梁的整体稳定，如图 15所示；其二是搭设辅助排架，立杆间距为 800 700，相对于钢支架的变形刚度，辅助排架为弱刚度支座，该排架的主要作用就是通过改变钢梁的支 承状态来调整钢梁的应力分布区，按照弹性体的变形规则，钢梁的正、负正应力区间比原先的 大缩短了，这显然极大的有利于支架的整体稳定；其三是分别在斜撑上、下 1/3位置，支点附近钢梁固接位置设置三层空间刚片将钢支架与柱身、环梁支撑进行拉接，其中水平方向主要是与柱身进行捆绑，垂直方向是与辅助 排架固定，平面外则在两侧用长钢管以 60夹角与环梁支撑拉接以防侧向发生位移或大变形。斜撑变形（包括支点转角引起的弓形和自身受压屈曲变形）由柱身前后的两道钢管进行约束，而侧向的稳定问题则通过环梁支撑、已浇 筑结构支 撑形成的复合刚体得到妥善的解决。 术活动与施工活动的结合 工段的划分 要实现空间刚片的固接作用，提供拉接的看台模板支撑就必须是无自由度体系，则其上看台、梁板等构件必须已浇筑完成并具一定强度，使得模板支撑与砼结构形成复合刚体。划分施工段以看台模板支撑在环梁支撑的上部 1/3内至少能提供三道拉接且浇筑时间在 5 6天（商供 0%）以上为原则。施工段的正确划分将对整个环梁、牛腿模板支撑体系的形成和有效性起重要的保障作用。 工模数 施工模数是指组成施工技术体系的各个单元 在某个参数上构成的组合、倍数关系，在体育场牛腿钢支架的设计过程中，施工模数发挥了非常大的作用，主要体现在锚栓的埋设上，以柱主筋的实际绑扎间距为基本参数，适当调整锚栓布置和节点板尺寸，使得钢支架的安装既准确又方便，总结起来，施工模数的概念在很多方面的运用都能大大降低作业的复杂程度，而且易于保证操作质量。 活运用荷载传递规律 环梁、牛腿模板支撑体系的内部杆群传递的压力非常大，分别达到 杆与横楞采用直角扣件连接是靠侧表面摩擦传递压力，人员操作不到位、材料的差异都是支撑安全的 巨大隐患，根本的解决办法就在于改变传力模式。我们在压力较大（超过 12）的连接部位使用可调螺杆，成为端面承压，从根本上解决了大荷载的竖向传递问题，整个体育场环梁、牛腿施工过程中工使用了 2000余套次可调螺杆，有效保证了支撑体系的安全。 3 实际效果 砼浇