高空悬挑结构支撑体系的研究与应用

1、高空简支梁结构支撑体系的研究与应用中建三局一公司贵阳分公司省委办公业务大楼64m高支模一、工程概况贵州省委办公业务大楼建设地点位于贵州省省委大院内，总建筑面积5.5万平方米，其中地面以上约4.5万平方米，地下室约1万平方米。主楼17层，裙房4层，地下2层。楼高76.4米，长104米，宽48.8米。地下-2层为人防地下室，平时为地下停车场，地下-1层为停车场。本工程为综合性办公业务大楼，裙楼层高4.5m，主楼层高4.2m，柱距为8m，梁的跨度大，门厅高度达到14m。结构相对复杂。本工程在13/JL及2527/JL轴处（大楼东西面）64.75m（十六层）标高处设计有一转换层，转换层梁板正下方115

2、层均无楼板，净空高度达到64.8m。64m高空简支梁混凝土结构截面大、跨度大，安全施工面临严峻考验，质量要求严格，工期紧迫，本工程64m高空简支梁施工贵阳市尚无此先例。传统满堂脚手架使用存在以下问题：1、钢管、扣件均需人工搭设、拆除，不仅增加投资，而且严重影响工期；2、64米高钢管自身重量达450KG，钢管脚手架承载能力几乎为零，需设置双钢管立杆，且立杆密度加至500，脚手架钢管、扣件使用较多，仅高支撑模板一项将需投入钢管300吨，扣件6万个，人工、运输、租赁费用等极其昂贵；3、由于立杆、水平杆密度大，人无法操作、检查；构造要求的水平、垂直方向剪刀撑也无法搭设，架体垂直度无法控制，容易失稳，安

3、全隐患较多；4、由于此处结构施工完后还需进行装修吊顶施工，同样需要脚手架操作平台，如结构施工完后不拆除，则钢管闲置时间过长，如在结构施工完后拆除，则在装修吊顶施工时又需要再行搭设64米高脚手架。5、依据建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范（JGJ130-2001）6.4.4”对高度24米以上的双排脚手架，必须采用刚性连墙件与建筑物可靠连接。”(强制性条文)，但施工现场无法按规范6.1.1条款中“二步三跨或三步三跨“的规定设置连墙件。由此可见，传统钢管脚手架无法满足要求，项目部需创建新型的支撑体系来替代。二、课题目标（一）目标贵州省委办公业务大楼64米高空简支梁结构支撑系统稳定、安全。（二）目标

4、值1、施工加荷过程中竖向构件侧向变形控制在10mm以内；2、支撑系统刚度满足要求，砼浇筑过程中沉降控制在5mm以内；（三）目标可行性论证1、有利条件1）任何支撑体系均为型钢作构件组成有限元的结构体系，即可通过钢结构等专用软件实现结构的应力、应变模拟试验；2）本工程高支撑体系方案的研究得到公司总部技术顾问的支持；2、不利条件1）、工程量大，工期紧迫；2）安全隐患多；综合以上情况，经过客观分析，项目认为目标完全能够实现。三、提出方案，确定最佳方案(一)方案的提出在开工之初，围绕课题，项目成员通过“头脑风暴法”集思广益对其高空支撑模板方案进行讨论，按支撑结构形式归纳提出四种方案及其立面图如下：1、格

5、构式钢柱支撑体系 2、钢桁架梁支撑体系3、上部斜拉工字钢支撑体系 4、下部斜撑工字钢支撑体系方案一 格构式钢柱支撑体系方案二 钢桁架梁支撑体系方案三 上部斜拉工字钢支撑体系方案四 下部斜撑工字钢支撑体系(二)方案的分析、评估与选定1、方案一的分析论证采用工字钢梁和格构式钢柱的支撑平台与钢管排架相结合的办法。具体施工方案是在±0.00结构上浇筑混凝土基础，竖钢结构的型钢格构柱，于柱顶上沿纵向架设工字钢梁，工字钢梁两端附着在主题结构的60.6m楼面上，再在工字钢平台上搭设支撑64.75m层的满堂钢管脚手架支撑系统，来解决64.75m的高支模体系。由格构柱、工字钢梁构成平台直接支撑脚手架体

6、系，荷载通过钢管排架传递给工字钢梁和格构钢柱，再传给基础。但由于格构钢柱高度达到60米，中部需增加附墙杆，且附墙杆过长。格构钢柱基础落在地下室顶板上，需对地下室顶板进行回顶，格构钢柱达到60米，用钢量大，施工周期长，施工复杂，费用高。该方案具有：1）安全可靠，万无一失； 2）传力明确，受力合理； 3）施工周期长，施工复杂； 4）用钢量大，费用高；经研究分析对比，该支撑体系安全性高，但施工周期长，施工复杂，费用太高不经济。通过项目的讨论，认为此方案不可行。2、方案二的分析论证采用钢桁架梁和工字钢梁的支撑平台与钢管满堂架相结合的办法。具体施工方案是在60.6m楼面上安装钢桁架梁，桁架梁两端固定在6

7、0.6m楼面上，在桁架梁上铺设工字钢，再在工字钢平台上搭设满堂钢管脚手架支撑系统，来解决64.75m的高支模体系。由钢桁架梁、工字钢构成平台直接支撑脚手架体系，荷载通过钢管脚手架传递给工字钢和钢桁架梁，再传给60.6m楼层结构。桁架梁的吊装需要依靠塔吊，但塔吊不能覆盖高支模范围。该方案具有：1）安全性高； 2）桁架梁的吊装困难，桁架梁位于塔吊吊运范围之外； 3）费用较高。经研究分析对比，该支撑体系安全 性高，但桁架梁的安装难度大，费用相对较高不够经济，通过项目的讨论，认为此方案不可行。3、方案三的分析论证采用工字钢梁和上部斜向钢拉索共同承载。具体施工方案是在56.4m楼面上安装工字钢梁，上部采

8、用四道钢索斜拉，钢索固定在60.6m楼层框架柱上。再在工字钢梁上搭设钢管满堂脚手架支撑系统，来解决64.75m的高支模体系。由工字钢梁和上部斜拉钢索组成的平台直接支撑脚手架体系，荷载通过钢管脚手架传递给工字钢梁和钢索，再传给楼层结构及框架柱。但钢平台必须安装在56.4m楼面上，上部搭设的钢管脚手架高度达到8.4米，脚手架本身存在安全隐患，钢索固定在60.6m楼层框架柱上，须等60.6m层混凝土强度达到设计强度后，钢索才能受力，工期无法保证，钢索的张拉不便检查，四根钢索的张拉不能保证一致，安全隐患比较多。该方案具有：1）安全隐患多； 2）须待60.6m层结构框架柱砼达到设计强度，才能承载； 3）

9、钢索张拉不便检查，钢索之间的张拉不能保证完全一致，受力不均应。经研究分析对比，该支撑体系安全隐患多，需等待60.6m层结构框架柱砼达到设计强度后才能承载，钢索张拉不便控制，钢索受力不均匀，施工周期长。通过项目的讨论，认为此方案不可行。4、方案四的分析论证采用工字钢梁和下部斜撑组成的平台直接支撑脚手架体系，具体施工方案是在60.6m楼层上安装工字钢梁，下部采用工字钢斜撑，工字钢与预埋在结构内的钢板焊接固定，再在工字钢平台上搭设钢管脚手架支撑系统，来解决64.75m的高支模体系。由工字钢梁和下部斜撑工字钢组成的平台直接支撑脚手架体系，荷载通过钢管脚手架传递给工字钢梁和斜撑工字钢，再传给楼层结构。工

10、字钢平台安装较简易，受力明确，安全可靠，拆卸方便。该方案具有：1）安全可靠； 2）工字钢平台安装简易，工字钢轻巧； 3）平台拆卸方便，工字钢可回收利用，经济性好。经研究分析对比，该支撑体系安全性高，安装简易，费用低，经济性好。通过项目的讨论，认为此方案可行。其四种方案优（缺）点归纳汇总如下表：序号支撑体系类型分析其优（缺）点方案选择1格构式钢柱支撑体系1）安全可靠，万无一失；2）传力明确，受力合理；3）施工周期长，施工复杂；4）用钢量大，费用高；不采用2钢桁架梁支撑体系1）安全性高；2）桁架梁的吊装困难，桁架梁位于塔吊吊运范围之外；3）费用较高。不采用3上部斜拉工字钢支撑体系1）安全隐患多；2

11、）须待60.6m层结构框架柱砼达到设计强度，才能承载；3）钢索张拉不便检查，钢索之间的张拉不能保证完全一致，受力不均应。不采用4下部斜撑工字钢支撑体系1）安全可靠；2）工字钢平台安装简易，工字钢轻巧；3）平台拆卸方便，工字钢可回收利用，经济性好。可采用（三）确定最佳方案由此可见，通过对比分析：第4种方案一致评为最佳方案。最佳方案：下部斜撑工字钢支撑体系即：采用工字钢梁和下部斜撑组成的平台直接支撑脚手架体系，具体施工方案是在60.6m楼层上安装工字钢梁，下部采用工字钢斜撑，工字钢与预埋在结构内的钢板焊接固定，再在工字钢平台上搭设钢管脚手架支撑系统，来解决64.75m的高支模体系。四、问题假想预测

12、（一）下部斜撑工字钢支撑体系流程图（如下：）（二）问题假想预测我们组织项目技术人员调阅报刊、杂志、互联网，对有关高支模方面发生的质量（安全）事故进行收集，通过对钢管脚手架高支撑模板体系特大事故进行筛选，以防支撑体系出现类似问题，主要原因归纳如下：1、 施工专项方案不合理，主要体现在：1）由于设计受力模型不正确；2）材料选用不正确，致使构件自由长度偏长而受力失稳；3）构造措施不全面，致使架体侧向刚度不足而受力失稳；2、砼结构承载力不够，主要体现在：1）结构承受的荷载超过其设计允许荷载而未预先对结构进行加强处理，导致结构梁柱开裂，支撑体系变形；2）楼层结构砼未达到其设计荷载就进行加载，导致结构破坏

13、，支撑体系失稳；3、操作过程中未按规范以及批准的方案实施，主要体现在：1）节点连接不满足要求，焊接质量未经检验合格；2）三维杆件间距不满足要求；五、确定对策通过上述问题假想预测所归纳的几种原因，结合下部斜撑工字钢支撑体系的系统流程图，确定实施对策如下表：对策表序要求对策目标措施时间负责人1建立应力应变模型进行深化设建立应力、应变模型通过不对称加载分析，进行力学计算、构件验收等解决实际施工不对称加荷垂直度偏差以及自由长度偏长、加强节点刚度，减少应力1、运用有限元分析软件进行深化设计2007年12月20日曾志华2、工字钢梁下部增设斜撑工字钢2007年1月10日曾志华2确保主体结构承载力对支撑工字钢

14、梁的梁柱进行受力验算，确定是否加强处理避免结构梁柱破坏，导致支撑体系变形、失稳1、对梁柱进行承载力验算，不满足进行加强处理；2007年1月15日曾志华2、需待梁柱砼强度达到设计强度后，支撑体系才能承受上部荷载2008年3月15日周凡3确保制作以及拼装焊接质量实现制作、安装全过程控制确保拼装焊接质量及多方验收合格1、委托专业厂家制作、安装；2、检查杆件尺寸3、检查焊接质量4、现场检查垂直度等2008年3月15日周凡制表：曾志华 复核：丁建安 日期：2007年12月六、对策实施实施一： 建立应力应变模型通过不对称加载分析，进行深化设计，1、结合施工现场情况，了解施工荷载情况，对支撑体系进行受力分析；2、运用有限元分析软件进行深化设计；3、根据力学分析，水平工字钢梁下部增加斜撑工字钢，斜撑工字钢中部增设一道剪刀撑，其作用是：一者，减少水平钢梁的跨度，二者，减少下部斜撑杆件的自由长度；三者，增加钢平台的整体稳定性；结果：初步方案于2007年12月10日完成，正式方案及深化设计图纸于2008年1月15日完成。实施二：对支撑工字钢梁的梁柱结构进行受力核算，验算梁柱受力是否超过其设计允许荷载；经核算，梁柱结构受力未超过其设计允许荷载，但需待梁柱结构砼达到其设计强度后才能受力。实施三：实