高层建筑外扩层框架外斜柱模板支撑体系设计

1 工程概况

本工程位于北京市某中药科技园园区内，总建筑面积24123m2，建筑高度64.95m，地上13层，地下2层，钢筋混凝土框架结构，–2~9层长40.5m，宽37.5m，10层至屋面层长51.5m，宽48.5m，从10层（45.85m）开始四周外扩一轴线，每侧结构外挑5.4m。9层设框架外斜柱800mm×800mm，9层悬挑梁尺寸600mm×800mm，边梁尺寸400mm×800mm，板厚150mm。框架柱混凝土强度等级5~9层为C50，10层及以上为C40。

2 难点分析

案例项目框架外斜柱位于9层，9层层高8.05m，柱生根标高37.800m，倾斜角度达到56°，大倾斜角度斜柱的模架支撑的稳定性是一大难点。

斜柱上方顶板梁标高45.850m，梁截面尺寸为600mm×800mm，外挑长度5.4m，属于高空超长外扩水平结构，超长外扩水平结构模板支设是另一大 难点。

此外，斜柱和上部超长挑梁竖直方向在一条垂线上，浇筑完成的斜柱无法为上部梁提供支撑力，斜柱和上部梁需共用同一支撑架体，支撑架体需同时考虑斜柱和上部梁两个构件的荷载总和，两个构件总的线荷载已经超过15kN·m，属于超危大混凝土模板支撑工程，采用的架体形式如何保证足够的承载力和稳定性并且可同时支撑斜柱和上部梁是又一大难点。

3 支撑体系分析

3.1 落地式模板支撑体系

若采用落地式模板支撑体系，无论采用何种架体，都存在支撑架体高度过高的问题，架体总高度达到45.5m，落地架高度过高且自重较大，架体本身稳定性欠佳。此外，架体需坐落在肥槽回填土上，对回填土的质量要求极高，地基的不均匀沉降对高大架体的稳定性影响较大，因此不适用。

3.2 常规悬挑式支撑架

常规悬挑式支撑架悬挑主梁一般采用工字钢，型钢悬挑长度需考虑悬挑构件长度（5.4m）+外维护架（0.6m），悬挑长度达到6.0m，为满足锚固段长度，工字钢总长将达到13.5m，市场上此长度为非标尺寸，不太常见。另外，锚固段空间不足也不便于安装，6.2m的悬挑长度承受上部超限荷载，粗略计算承载力不满足要求，因此不适用。

3.3　悬挑式（下支杆）支撑主梁+盘扣脚手架（托梁支撑）

悬挑式（下支杆）支撑主梁相较于常规悬挑式支撑架悬挑主梁可有效缩短锚固段长度，悬挑段下部设置支撑杆可有效减少悬挑主梁所受到的承载力，下支杆设置数量可为1道，也可多道，可平行设置，也可共点设置，比较灵活。

因浇筑完成的斜柱无法为上部梁提供支撑力，梁下支撑不能落于斜柱上，所采用的支撑架体需先承受斜柱荷载，待斜柱浇筑完还需继续向上搭设支撑上部梁，故选用盘扣脚手架（B型）。盘扣架具有较强的承载力及稳定性，并且可以使用托梁支撑框架梁，斜柱、上部梁下采用托梁支撑，托梁可与梁两侧立杆连接传递荷载，无须梁下设立杆落在斜柱上，满足工况要求。

4 支撑体系设计

4.1 悬挑式（下支杆）支撑梁

下支杆式悬挑式支撑梁采用22a号工字钢，建筑物结构外边界线外安装长度6.00m，建筑物内自外墙中线以内安装长度3.50m。水平安装主钢梁与结构楼板连接方式为预埋2道直径20mm的U形圆钢拉环，间距200mm。下支杆斜支撑与建筑物的连接方式为预埋件焊接连接，预埋件如图1所示。

   

（a）                          （b）

图1 预埋件加工示意

（a）示意1；（b）示意2

下支杆斜支撑与水平主梁采用满焊连接，下支撑 道数为2道，采用22a号工字钢。最外一道支撑点距离建筑结构外边线5.50m，支撑间距3m，内道支撑距墙2.5m，2道支撑下部支点形式为共点形式，支撑点距水平钢梁间距4.5m，悬挑水平钢梁如图2所示。

   

图2 悬挑水平钢梁示意

4.2 盘扣脚手架（托梁）

斜柱截面尺寸800mm×800mm，上部梁600mm× 800mm，模板支撑设计及计算时综合考虑两个构件荷载，折算成800mm×1400mm梁。按800mm×1400mm梁进行架体设计及计算。模架设计技术参数见表1。盘扣架体从底部开始每4个步距设置水平斜杆，设置水平斜杆位置与框架柱进行抱柱连接，悬挑水平钢梁上焊接短钢筋防止立杆滑移，端部增加两道钢管斜撑向内支撑斜柱模板。

表1 模架设计技术参数

   

5 支撑体系计算

本支撑体系的传力路径为梁、斜柱所有的荷载通过底部模板、次龙骨传递到U形托上的主龙骨上，再通过U形托竖直向下传递到托梁上，通过托梁将构件垂直构件正下方的力传递到梁、斜柱两侧的板下支撑立杆上，两侧架体立杆再将力传递到悬挑型钢主梁上，型钢主梁再通过锚固楼板及下支撑型钢将力传递到结构楼板及下层框架柱上，从而将构件全部荷载传递到主体结构上。

5.1 计算参数

支撑体系计算荷载充分考虑施工工况，混凝土浇筑方式为车载泵车浇筑，无水平泵管及布料杆，同时考虑梁两侧楼板情况，不考虑材料堆放荷载，具体荷载参数见表2。支撑体系所用材料设计参数见表3。

表2 荷载参数

   

表3 材料设计参数

   

5.2 设计验算

5.2.1 盘扣架支撑体系（托梁）验算

（1）梁底模板面板验算。15mm厚梁底模板静荷载为28.960kN·m，可变荷载为2.0kN·m，截面抵抗矩为 30.00cm3，截面惯性矩为22.50cm ⁴ 。梁底模板面板验算结果见表4。

表4 梁底模板面板验算结果

   

（2）梁底次龙骨（方木）验算。方木所受可变荷载标准值为0.750kN·m，所受均布荷载设计值为15.926kN·m，最大弯矩为0.544kN·m，最大支座反力为6.967kN，最大变形为0.336mm，85mm×85mm方木截面抵抗矩为102.35cm3，85mm×85mm方木惯性矩为435.01cm ⁴ 。梁底次龙骨验算结果见表5。

表5 梁底次龙骨验算结果

   

（3）梁底主龙骨（10号槽钢）验算。10号槽钢均布荷载取槽钢的自重荷载为0.130kN·m，最大弯矩为3.135kN·m，最大支座反力为30.480kN，最大变形0.562mm，截面抵抗矩为39.70cm3，截面惯性矩为198.30cm ⁴ 。梁底主龙骨验算结果见表6。

表6 梁底主龙骨验算结果

   

（4）双槽钢托梁验算。盘扣式模板支架采用双槽钢托梁搁置在连接盘上，作为支撑模板面板及楞木的托梁。双槽钢型选择10号槽钢，双槽钢托梁验算结果见表7。

表7 双槽钢托梁验算结果

   

（5）架体立杆稳定性验算。架体立杆稳定性验算时，考虑风荷载作用，立杆的轴心压力最大值为33.142kN，立杆稳定。

（6）架体抗倾覆验算。1）工况一：混凝土浇筑前。架体倾覆力矩为66.513kN·m，架体抗倾覆力矩为917.865kN·m，倾覆力矩小于抗倾覆力矩，满足架体整体稳定性要求。2）工况二：混凝土浇筑时。架体倾覆力矩为100.278kN·m，架体抗倾覆力矩为1534.761kN·m，倾覆力矩小于抗倾覆力矩，满足架体整体稳定性要求。

（7）综合安全系数指标验算。架体整体综合安全系数指标验算结果见表8。

表8 综合安全系数指标验算结果

   

5.2.2 悬挑式（下支杆）支撑主梁验算

（1）悬挑水平梁受力验算。水平主钢梁自重荷载为0.43 kN·m。

悬挑水平主钢梁计算如图3所示，悬挑水平主钢梁剪力如图4所示，悬挑水平主钢梁弯矩如图5所示，悬挑水平主钢梁变形如图6所示。

   

图3 悬挑水平主钢梁计算示意

   

图4 悬挑水平主钢梁剪力示意

   

图5 悬挑水平主钢梁弯矩示意

   

图6 悬挑水平主钢梁变形示意

各支座对水平悬挑主梁的支撑反力由端部至内分别为：51.289kN、95.585kN、37.780kN、–0.582kN。

水平悬挑主梁所受最大弯矩为25.559kN·m，水平悬挑主梁抗弯强度为106.344N/mm2，水平悬挑主梁的抗弯计算强度小于型钢钢材强度215.0N/mm2，故水平悬挑主梁强度满足要求。

（2）水平悬挑主梁整体稳定性验算。经过计算，水平钢梁的强度为89.46N/mm2，小于型钢强度215.0N/mm2，满足要求。

（3）下支撑（杆）受力验算。下支撑由内到外2根支撑（杆）力分别为80.995kN、109.346kN。

（4）下支撑（杆）强度验算。斜压支撑（杆）的轴力计算时均取最大值109.346kN，斜压支撑（杆）的容许压力为176.44N/mm2，小于215N/mm2，满足要求。斜压支撑（杆）的焊缝强度为26.04N/mm2，小于185.0N/mm2，斜压支撑（杆）对接焊缝的抗拉或抗压强度计算满足要求。

（5）水平主梁锚固点连接强度验算。水平钢梁与楼板压点的拉环受力为0.582kN。每个拉环按照2个直径20mm钢筋截面计算，拉环强度为65N/mm2；锚固点处2个U形钢筋拉环，承载能力计算按0.85的折减系数进行计算，拉环强度为110.50N/mm2，小于215N/mm2，锚固段与楼板连接验算满足要求。

6 结束语

托梁形式的盘扣式钢管脚手架可用于解决双层构件需共用支撑架体，且下部构件浇筑完成后又无法承载上部荷载的情况下的模板支撑问题。通过2道托梁将2个构件的荷载传递到柱两侧的架体立杆上，再传递到悬挑型钢主梁上，有效解决了下部构件不能承载上部构件荷载，或上部构件支撑立杆不能落在下部构件上的问题。下支撑（下支杆）式悬挑支撑主梁可有效承载架体及上部构件荷载，解决高空模板支撑架搭设落地式脚手架面临的架体过高、变形大、稳定性欠佳、对落地式架体地基承载力要求高的难题。同时悬挑式支撑架相较于落地脚还可为其下部楼层提供作业面，便于提前安排相关工序施工。