结合工程实例探析高层建筑超长悬挑结构设计及施工技术

结合工程实例探析高层建筑超长悬挑结构设计及施工技术摘要：悬挑结构是高层建筑施工中常见的一种结构形式，并以其多种优势受到人们的青睐。但由于悬挑结构施工难度较大，技术含量高，如果没掌握好相关施工技术和做好质量安全控制措施，很容易发生质量安全事故，造成人员财产损失。基于此，本文结合工程实例对高层建筑超长悬挑结构设计与施工技术进行了分析与研究，以供同仁参考。关键词：高层建筑；悬挑结构设计；工字钢；施工技术一、前言近年来，随着我国社会经济的快速发展，建筑业也取得了巨大的进步，高层建筑工程的建设越来越多。悬挑结构作为高层建筑中的一种常见的结构式，以其独特的优势深受人们青睐。但是由于悬挑结构需要在高空作业，并且建筑支撑面积相对较小，如果稍有不慎，很容易发生安全事故，造成严重的人员财产损失。因此，如何更加安全、高效、快捷地搭设高层建筑超长悬挑结构支撑成为一个建筑施工难题。笔者曾负责某高层建筑，该项目为上部19层、地下1层建筑。其五层及以上为标准层，层高4.2m，标准层外围为3m的悬挑框架梁，局部为6m长的悬挑阳台，悬挑阳台层层均有分布，但分布位置不在同一立面上。结构柱距为8.4m、9.4m、9.9m，柱截面为圆柱，截面尺寸最大为0.9m，且配筋较少，设计弯矩、剪力承载力小。此外，工程整个外立面为幕墙装饰，由于景观需求，支撑幕墙的外围悬挑梁截面及配筋小，荷载能力小。施工时，荷载不能直接由悬挑梁直接承担。下面就对高层建筑超长悬挑结构设计及施工技术进行了分析与研究，以供同仁参考。二、高层建筑超长支模体系设计（1）分层悬挑。实际工程运用中从第五层开始，至第19层采用工字钢分3次悬挑支模，下部斜撑使用2道双钢管。悬挑工字钢层为4层、9层、15层。每层工字钢支撑五层悬挑结构。（2）整体悬挑、局部加强。在此工程除大范围悬挑长度为3m的悬挑框架梁外，部分悬挑阳台长度达6m。对于该部位施工，采取整体悬挑、局部加强的支撑方法。在6m悬挑结构部位的下层，增加悬挑13m长的20#工字钢，并将6m悬挑阳台分为2段支撑。第一段施工长度为3m，同大范围的3m悬挑结构同时施工；第二段悬挑结构的施工待第一段下部结构达到支撑强度后再进行施工。（3）计算原则。采用单元荷载计算方法，选取最不利结构荷载布置下，一根工字钢上方单元版块梁板、模板及支撑等所有荷载，最终传递至工字钢。此外，按照实际施工进度每10天一层，施工N+2层梁板时，第N层梁板混凝土已到达设计强度，达到设计强度后的结构荷载由自身承担，因而计算时，荷载取值为未到达设计强度的结构荷载及所有支撑和模板荷载。三、高层建筑超长支模体系施工工艺（1）悬挑梁结构分段悬挑工字钢支模结构同立面范围内，每层均有悬挑梁。每5层结构或高度20m悬挑一次工字钢作为悬挑梁支模基础（如图1所示）。工程实际应用施工工艺如下。图1、悬挑梁结构分段悬挑工字钢支模①在4层结构板悬挑第一次工字钢，作为5~9层悬挑梁板支模基础，工字钢底部设置双钢管工字钢斜撑。②4层悬挑工字钢上搭设支模架，用于以上5层悬挑结构的施工。每层支模架体设置钢管斜撑杆卸载。通过每层加设钢管斜撑进行卸荷，使悬挑结构的荷载由斜撑及悬挑工字钢共同承担。通过受力分析，每层增加的斜撑可卸载约45%的总施工荷载，工字钢基础承担55%的总施工荷载，在实际工程应用中，使用18#工字钢悬挑支模，可实现支撑5层悬挑长度为3m的悬挑结构施工，多次分段悬挑能够实现一定高度范围内的悬挑结构施工。（2）超长悬挑结构悬挑工字钢支模当悬挑结构的结构悬挑长度达到6m，且每层的超长悬挑结构均不在同一投影面上，工字钢悬挑支模每层都进行独立悬挑支模。通过悬挑工字钢及加设工字钢斜撑脚的方式作为支模基础，将超长悬挑结构分成2段进行施工（如图2所示）。工程实际应用施工工艺如下：①四~六层按照分段悬挑支模施工工艺施工；②六层搭设超长悬挑工字钢及工字钢斜撑；③工字钢设置3个锚固支座，超长悬挑结构分2段施工。悬挑工字钢设置在结构内的第1、2道锚固端作为第一段悬挑的2个支座，通过工字钢及钢管斜撑卸荷传递上部荷载；施工第二段悬挑结构，悬挑工字钢的第3道锚固端及工字钢斜撑作为支座，第二段的施工荷载通过支座传递至下层悬挑结构。图2、超长悬挑结构悬挑工字钢支模四、支撑系统荷载验算（1）荷载统计。结构层高为4.2m。3m悬挑梁截面为400mm×700/500mm（变截面梁），6m悬挑梁截面为600mm×950/600mm（变截面梁），悬挑边梁截面为200mm×400mm。悬挑工字钢为18#、超长悬挑工字钢为20#，间距均为1m，主悬挑梁下（柱两侧）布置间距为1.4m。工字钢斜撑为16#。立杆采用A48×3mm，钢丝绳为6×19（公称抗拉强度≥1670N/mm2）。最不利荷载情况为6m悬挑结构板位于6F。混凝土和钢筋容重取25kN/m3，以主悬挑下支撑为计算单元，宽度取12（1+1.4）=1.2m。①六层结构荷载。梁：12[0.6×（0.95-0.11+0.6-0.11）÷2×25×6]=29.93kN；次梁两根：2×（0.4-0.11）×0.2×（1.2-0.6）=1.74kN；板：1.2×0.11×25×6=18.81kN。②五层结构荷载。梁：12[0.4×（0.70+0.5）÷2×25×3]=9kN；次梁两根：2×（0.4-0.11）×0.2×（1.2-0.6）=1.74kN。③模板及脚手架荷载。模板每平米为0.3kN：0.3×1.2×（6+3）=3.24kN；脚手架荷载（每立方米自重荷载取0.1615kN，《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011，附录A取值）：0.1615×4.2×1.2×3×（2+1）=7.33kN④工字钢自重：0.279×6+0.205×4.55+0.241×3=3.33kN；结构总荷载：29.93+1.74+18.81+9+1.74+3.24+7.33+3.33=75.12kN。（2）荷载计算。按荷载基本组合计算工字钢及斜撑承载能力（施工荷载取2.5kN/m2）。1.2×75.12+1.4×2.5×（6×1.2）=115.314kN；为方便计算，考虑工字钢承受均布荷载：115.314÷3=38.45kN/m。（3）工字钢及斜撑承载力复核。18#工字钢，截面抵抗矩为185cm3，算得截面应力为55.65N/mm2＜205.00N/mm2，满足要求。算得最大挠度为1.1mm，满足要求。工字钢底部两道双钢管斜撑，最大轴力为62.28kN，单根钢管轴力为31.14kN，计算长细比，查表得钢管稳定系数为0.537。σ=31140/（0.537×424）=136.77N/mm2，满足要求。五、实施效果框架内部设置5排钢管支模架与悬挑支模架连成整体。使用水准仪进行监测，在框架内部架体与最外侧悬挑架体同一标高位置使用油漆进行标记。每个柱距设置3个检测点，记录混凝土浇筑时标高差初始值。混凝土浇筑后2h~3h，进行第二次高差值监测。混凝土浇筑后3d，进行第三次高差值监测，混凝土浇筑后7d，进行第四次高差值监测。监测结果高差值在可控范围内，且拆模后，梁面无明显裂缝，观感良好。六、结语综上所述，施工中采用高层建筑超长悬挑结构的分段悬挑工字钢支模技术，效果良好，施工工艺简单，节省了脚手架的工程量，此外工字钢占用空间小，满足各种复杂形式的悬挑结