高空大型外悬挑结构的模板支撑体系设计与施工
何双红1 ，钟哲2
（陕西建工第十建设集团有限公司，陕西 723000）
[摘要]：建筑外立面大型混凝土结构屋面挑檐在施工采用常规模板支撑体系无法实现，利用斜拉悬挑支撑体系设计原理，根据安全技术合理设计悬挑结构，通过加长悬挑钢梁及多向斜拉辅助钢丝绳等措施完成高空外悬挑结构模板支撑体系搭设，解决大型悬挑构件的混凝土浇筑问题。
关键词：斜拉悬挑支撑体系，高空外悬挑结构，斜拉辅助
0.引言
为了满足建筑设计时突出建筑立面造型的效果以及高层上部空间扩展的需要,近年来设计高空悬挑混凝土结构、构件的建筑越来越多。但是高空悬挑混凝土结构构件施工难度较大，尤其模板支设较为复杂。常用的模板支撑系统有落地满堂支撑架系统和三角型钢桁架支撑系统，落地满堂支撑架系统因搭设高度过高以及场地受限等问题很难实施，三角型钢桁架存在加工安装周期较长、造价过高等缺点，较少在工程中使用。经过市场调查研究，斜拉悬挑式支撑系统具有成本低、施工速度较快、且不占用施工场地等优点可较好的解决以上问题。
汉中市消防救援支队业务用房及公寓房建设项目指挥中心项目，屋面构架层设计有外挑3.9m混凝土挑檐，施工过程中采用斜拉悬挑式支模工艺，取得了良好的预期效果。
1.项目概况
汉中市消防救援支队业务用房及公寓楼建设项目，1#指挥中心总建筑面积约15837.74m2，由中间主楼、两侧裙房组成。指挥中心主楼为框架结构，地上7层，地下1层。平面形式为长方形，东西长68.6m，南北宽18.7m，屋面檐口高度38.3m。在屋面构架位置（标高38.3m），沿建筑物外围一圈设有混凝土挑檐，悬挑长度出外墙3.9m,挑檐板厚120mm，挑梁截面尺寸根部350*1000，端部350*600，边梁截面尺寸250*600。此部分支模体系具有高度超高，悬挑长度长，构件荷载较大的特点。
图1-1 建筑全景图
图1-2 支模架模型图
2.模板支撑原理
斜拉悬挑支模体系由水平悬挑的工字钢梁、钢梁上斜向拉结钢丝绳及搭设在工字钢上的模板支架组成。工字钢作为模板支架的基础，每根工字钢由四根固定于上层结构边梁的斜向钢丝绳反拉。在搭设施工层模板架时，同时搭设外侧悬挑架，将内外侧架体相连，形成一个整体。采用斜拉悬挑式支模施工工艺，安全、有效的解决了高空大悬挑钢筋混凝土的施工。
3.斜拉悬挑支撑体系参数设计
悬挑结构模板支撑系统采用水平型钢悬挑梁作为模板支架的承力结构。型钢支撑架锚固层为7层（高度26m）,水平型钢悬挑梁采用18#工字钢，外挑长度4.0m,内侧锚固5.0m，总长9.0m,钢梁布置间距为900mm，上部架体悬挑高度12.3m。
水平型钢悬挑梁的中部和端部各设两根16#的钢丝绳作斜拉，钢梁的弯曲变形及部分施工荷载由斜拉钢筋承担，在夹层的边梁（高度34.1m）及屋面边梁(高度38.3m)上预埋直径20mm的圆钢作为钢丝绳在主体结构上的拉结点。水平悬挑梁上焊接25 mm的短钢筋头，作为模架或脚手架的立杆下端限位固定。模架立杆横向间距为 900 mm,纵向间距在900〜1200 mm之间，与水平悬挑梁间距相同。模架水平杆的步距1.2m,并与楼层内的模架水平杆拉通。为确保模架的侧向稳定性，设置纵横剪刀撑，纵向剪刀撑按每4跨设置1道，横向在模架的里、外两侧各设置1道、架体的底部、顶部、中部设置连续的水平剪刀撑。
图2-1 模架搭设图
图2-2 悬挑梁及钢丝绳拉结大样
4.悬挑支撑结构计算
4.1受力分析
水平悬挑梁按带悬臂的简支梁进行计算，斜拉钢丝绳与水平悬挑梁及混凝土结构的连接节点、水平悬挑梁同结构的锚固节点，均假定为铰接。
4.2荷载
经计算，支撑排架立杆的轴向压力P= 20.44 kN，每道水平挑梁上5排立杆，18#工字钢钢的自重荷载q=0.313 kN/m。
4.3水平悬挑梁验算
1、强度验算
弯矩图(kN·m)
σmax=Mmax/W=11.31×106/185000=61.134N/mm2≤[f]=215N/mm2，符合要求！
2、抗剪验算
剪力图(kN)
τmax=Qmax/(8Izδ)[bh02-(b-δ)h2]=28.265×1000×[94×1802-(94-6.5)×158.62]/(8×16600000×6.5)=27.657N/mm2
τmax=27.657N/mm2≤[τ]=125N/mm2，符合要求！
3、挠度验算
变形图(mm)
νmax=1.039mm≤[ν]=l/250=2400/250=9.6mm，符合要求！
5.悬挑支撑结构的施工方法
5.1施工工艺流程
5.2结构板U型螺栓预埋
U型螺栓提前在加工场加工制作，如图4-1所示。U型螺栓宽度根据所选用的型钢大小确定，高度根据型钢大小及预埋处的结构厚度确定。U型螺栓两端设置长度不小于50mm的丝口。
图4-1 U型螺栓制作大样
图4-2 悬挑钢梁U型螺栓锚固构造
在悬挑结构的下一层混凝土施工前，预埋U型螺栓。U型螺栓安装前，施工人员根据设计方案在钢筋上标出悬挑型钢位置。锚环安装时必须要锚住板底钢筋，并在U型螺栓底部各增加1.5m长直径18mm（HRB335）钢筋。详见图4-2：悬挑型钢U型螺栓锚固构造。
一根悬挑型钢主梁设置三个锚环，前锚点为建筑物边缘内100mm，后锚点两个锚环，分别为主梁锚固段后端200mm和200mm处。前锚点主要是保持钢梁的稳定性，后锚点的作用是平衡悬臂部分的施工荷载和自重。
为防止U型螺栓偏位，要求与板筋点焊，且在混凝土浇筑过程中设专人看护。U型螺栓的丝口要求用胶布包裹保护。
5.3悬挑钢梁安装
悬挑型钢采用塔吊吊装至楼层作业面，根据螺栓预埋位置逐根人工就位，套L63×6mm角钢压板后上螺帽。要求后锚点上双螺帽，螺帽必须用扳手拧紧。主梁前锚固点下采用100×150×10mm钢板垫片垫平。U型螺栓与悬挑型钢侧向空隙要求用木楔楔紧。悬挑型钢上根据支模架立杆位置焊接长度不少于20cm的Φ25钢筋头，用于钢管与主梁连接。主梁安装具体做法详见图4-3。
图4-3 悬挑主梁安装示意图
5.4悬挑钢梁上满堂架搭设
在悬挑钢梁安装完成后，与施工层模板架同步搭设外侧悬挑部分的支撑架体。水平杆与主体结构内部架体相互连接，两部份架体水平杆相互连接不小于两个立杆跨距。另外严格控制悬挑钢梁上部荷载，严禁集中堆放钢管、模板等物料。
5.5斜拉钢丝绳安装、紧固
悬挑钢梁悬挑段的中部和端部各设两根16#的钢丝绳作反拉，主要控制钢梁挠度变形及部分荷载由斜拉钢丝绳承担。在下层的边梁及屋面边梁上预埋直径20mm的圆钢作为钢丝绳在主体结构上的拉结点。在钢梁底部焊接DN65的钢管作为钢丝绳在悬挑钢梁上的拉结点，钢管两侧各拉1根16#钢丝绳。并在DN65的钢管内穿DN32的钢管，将各根钢梁连为一体，增加钢梁的整体稳定性。
图4-4采用钢丝绳反拉主梁示意图
5.6预留变形量
采用型钢作为悬挑主梁，挠度变形较大，对于支模标高有严格的要求。在支架上浇筑混凝土施工过程中，悬挑梁要产生一定的挠度。因此，为使悬挑结构标高在拆除支架后能满足设计规范要求，须在施工时设置一定数值的起拱度。
5.7悬挑结构主体施工
在悬挑结构模板施工阶段，严禁多人集中在悬挑结构区域作业，材料不得堆积在悬挑结构区域。在混凝土浇筑时严格控制堆载高度，悬挑结构梁板混凝土从悬挑根部向外一次浇筑完成，不留梁板施工缝，其浇筑速率保持一致，混凝土浇筑过程中安排专人进行看模，如发现浇筑过程中有异常情况则立即停止浇筑。
5.8悬挑结构支撑体系拆除
待悬挑结构混凝土强度达到设计值的100%强度后，方可拆除悬挑结构模板支撑架体。
6.施工安全措施
6.1本悬挑支撑结构为满足外悬挑楼面结构施工而设，悬挑结构为混凝土有梁板，结构的荷载较重，而架体的悬挑跨度大，又是高空作业，危险性比较高。因此，要求悬挑支撑结构布置合理、牢固可靠，施工中必须按要求施工，不得马虎，更不得野蛮作业。
6.2悬挑支撑架的底面由上至下，应用满铺钢板网脚手板、满挂密目安全网、满挂安全平网对架底进行全封闭。架体安装时应有专人指挥，并在地面上设置警戒线。
6.3施工及使用过程中应加强对悬挑支撑体系的检查， 应特别关注架体有无变形、弯曲、晃动等不安全现象，发现问题及时上报处理。
6.4支模架搭设好后，采用现场堆砂袋的方式，模拟混凝土浇筑的施工荷载。通过试验，验证支模架稳定性。
6.5混凝土浇筑过程中，应加强对支撑结构体系的观测，若发现有较大变形，应立即停止浇筑并查明原因，釆取整改措施。
6.6所有参与作业的人员必须按照安保体系的要求，配备好安全防护用品后方可上岗作业，杜绝违章指挥、违章作业。
结论
本工程在施工过程中架体稳固，未发现下部支撑系统有异常形变等不利情形，现已顺利完成悬挑混凝土结构施工。该悬挑支撑系统利用普通型钢及现场周转料具，成功地满足了高空悬挑结构主体及装饰阶段施工对模架和临边防护脚手架的需求，既实现了一架两用，便捷施工，又达到了节约成本的效果。
参考文献：
[1] 中国建筑工业出版社.建筑施工手册[M].4版.北京:中国建筑工业出版社,2003.
[2] 钢结构工程施工质量验收标：GB50205-2020[s],北京，中国计划出版社，2020.
[3] 建筑结构荷载规范：GB5009-2012[s],北京，中国建筑工业出版社，2012.
[4] 建筑施工安全检查标准：JGJ 59-2011，北京，中国建筑工业出版社，2011.
[5] 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范：JGJ130-2011，北京，中国建筑工业出版社，2011.