屋顶高空悬挑结构的模架设计与施工

近年来，随着我国经济的发展，以及生活质量的提高，人们对建筑产品立面效果的新颖和时尚有了更高的要求，建筑师们也顺应市场需求，在自己的作品中增添上各式悬挑结构“元素”，设计出了许多造型别致的经典之作。这些结构往往是高空大跨度悬挑结构，在给建筑物添加亮点的同时，也给现场施工带来了很大难度。本人在施工过程中，根据实际情况对该类结构的施工作了一些有益探索。

1、工程概况

本工程为青浦建设工程质量检测中心迁建的业务用房工程，分主楼和附楼两部分，位于上海市青浦工业园区内。其中主楼地下一层，地上九层，建筑高度为46.45m。建筑面积15641㎡。在主楼屋面结构的南、北两侧分别从1/B轴和1/D轴向外挑出3.25米，悬挑屋面结构的梁底标高分别为▼35.10和▼39.0。悬挑结构采用钢筋混凝土，挑梁的规格为350×600㎜，连梁的规格为250×600㎜，结构板厚度为100㎜。

2、模架及外脚手架施工方案

2.1模架搭设方案

屋面悬挑结构的跨度3.15米，考虑其施工荷载分解为两部分支撑：一是外挑的2.05米内的荷载由八层（或九层）上的三根立杆承担，传递至结构楼层上；二是从外挑2.05米至3.15米的荷载为悬挑钢管支架支撑。水平悬挑梁及斜撑杆采用φ48*3.5脚手钢管,悬挑支撑架的纵向间距为1.05米，在布置时先定位结构柱两侧的水平悬挑钢管，结构柱中间部位的按总长度进行均分，但其间距不得超过1.05米。水平悬挑梁末端与预埋在屋面梁混凝土内的一个“∩”形φ14钢筋环进行焊接固定，斜撑杆下端与预埋在混凝土结构中的φ20抗剪钢筋进行可靠连接。悬挑支架的立杆沿挑梁跨度方向的间距及悬挑支撑架水平杆的步距详见《悬挑支撑架剖面图》。水平杆应与楼层内的排架水平杆拉通。为确保排架的侧向稳定性，设置纵横剪刀撑或斜撑，纵向间距为每5m一道，横向在支撑架的外侧设置一道。

2.2 外侧脚手架搭设方案

由于该悬挑支撑架采用钢管进行高层悬挑，其悬挑跨度不宜过大，因此悬挑结构外侧的脚手架采用双排脚手架，里立杆同模板排架共用，外立杆距悬挑结构连梁外侧0.6米，满足装修阶段的操作空间即可。脚手架立杆纵距与水平悬挑梁的纵距相同，内外立杆与水平悬钢管用双扣件进行连接，脚手架的步距同模板排架，内立杆距悬挑结构外皮150㎜，架体的搭设高度高出屋面悬挑结构1.5m。

3、悬挑支撑结构计算

3.1 荷载

悬挑支撑架的设计应考虑下列各项荷载：模板及支撑架自重；新浇混凝土自重；施工人员及设备荷载；倾倒混凝土时产生的荷载；振捣混凝土时产生的荷载。

脚手架计算时考虑以下各项荷载：脚手架钢管自重；脚手板自重；栏杆及踢脚板自重；吊挂安全网自重；活荷载按装修一层取值，即2KN/㎡。

经计算支撑架立杆产生的轴向压力为：P1＝7.98KN、P2＝4.92 KN、P3＝1.53 KN，水平悬挑钢管自重荷载忽略不计。

3.2 受力分析

水平悬挑支撑梁按照带悬臂的连续梁进行计算，其节点均假定为铰接。水平悬挑梁的计算简图见下图。

3.3 水平悬挑梁内力计算

水平悬挑梁所使用的脚手钢管各项参数为：截面积A＝4.89㎝2 ，截面惯性矩I＝12.19㎝4 截面抵抗矩W＝5.08㎝3 截面回转半径i＝1.64㎝，塑性发展系数rx =1.05。

3.3.1 杆件内力计算

①求内撑杆的压力NBE

NBE＝P1/cos100=7.98/0.98=8.1KN

②求外撑杆的压力NC/E

NCE＝P2/cos190=4.92/0.95=5.2KN

③求风荷载引起的水平悬挑梁的轴力NW

NW＝1.4×1.05×8.1×0.54=6.4KN

④求水平悬挑梁的最大弯矩

MC＝P3×0.45=1.53×0.45=0.7KN•m

⑤求水平悬挑梁的轴力NAD

NAD=6.4+1.7+1.3=9.4KN

3.3.2 水平悬挑梁的抗弯强度计算

f= MC / rx ×W+ NBF/A＝700000/1.05×5080+9400/489

=150.4N/㎜2 <[f]＝205 N/㎜2 满足要求

3.3.3 内斜撑杆的强度计算

σ=N/φ×A≤[f]

其中：内斜撑杆轴力为N＝NBE＝8.1KN，撑杆的计算长度为lO=lFH=4.01m。

λ= lO/i=401/1.64=244

查附表C表C：φ＝0.12

σ=N/φ×A＝8100/0.12×489=138 N/㎜2≤[f]满足要求

3.3.4 外斜撑杆的强度计算

σ=N/φ×A≤[f]

其中：内斜撑杆轴力为N＝NCE＝5.2KN，撑杆的计算长度为lO=lFH=4.17m。

λ= lO/i=417/1.64=254

查附表C表C：φ＝0.11

σ=N/φ×A＝5200/0.11×489=96.7 N/㎜2≤[f]满足要求

4、悬挑支撑结构的施工要求

①悬挑支撑结构搭设前应先做好埋件的预埋工作：施工至八层（或九层）时预埋斜撑杆的下端抗剪钢筋，施工至八层（或九层）屋面时预埋水平悬挑钢管固定的锚环钢筋。钢筋预埋位置必须正确，屋面结构梁上预埋的锚环钢筋和斜撑钢管下端预埋的抗剪钢筋，其位置应按水平悬挑钢管的位置上下对应，中心在一条直线上。锚环的外露高度以脚手杆能顺利插入为准，水平悬挑钢管与钢筋锚环之间采用焊接固定。斜撑杆下端的抗剪钢筋外露长度为100㎜，抗剪钢筋处在立杆的孔腔内。

②在施工八层（或九层）屋面楼板模板排架时，同时将悬挑结构内侧的三根屋面悬挑结构的立杆及水平杆一并搭出，其水平杆应与内排架拉通。待屋面悬挑结构施工时将上部排架及悬挑部分搭设完成，整个悬挑支撑架的水平杆应与里侧的结构模板排架拉通，其外端与斜支撑杆用扣件连接。斜撑杆安装时，其下端用扣件与外侧立杆的扫地杆相连，其位置在扫地杆的外侧。

③立杆与水平悬挑梁的悬挑段的连接采用双扣件，斜支撑杆、水平悬挑刚管连接处也采用双扣件。

④悬挑支撑结构在搭设时，所有连接扣件均用力矩扳手进行紧固，紧固力矩40N•M，以确保扣件与钢管之间的握裹力，进而保证架体杆件受力均匀。

⑤斜支撑杆与其上面的立杆必须一一对应，其距离不得大于10㎝。

⑥挑梁及支撑钢管应用整根钢管，不得采取对接。

⑦悬挑支撑结构施工应做到：整体刚度好，水平悬挑钢管应在一个平面内，无高低差，承载安全，在架体上作业时架体不变形、不摇晃。

5、施工安全措施

①本挑架为满足南北两面屋面悬挑结构施工而设，悬挑结构为混凝土有梁板结构，结构的荷载较重，又是高空作业，危险性比较高。因此，施工中必须严格执行各项安全操作规程，不得马虎，更不得野蛮作业。

②悬挑支撑架的上坪面应用竹笆脚手板满铺，下平面满挂密目安全网进行封闭。在架体安装时应有专人指挥，并在地面上设置警戒线。

③在搭设悬挑支撑架前，应在在八层（或九层）楼面脚手架外侧设置水平撑网，

④屋面结构施工时应先浇筑柱砼，然后再施工梁板，以便将悬挑支撑架的上部与砼柱拉结固定，增加架体的整体稳定性。在浇筑悬挑结构砼时，应先浇内侧后浇悬挑梁板。

⑤所有参与作业的人员必须按照安保体系的要求，戴好安全帽，系好安全带及其它安全防护用品后方可上岗作业，杜绝违章指挥，违章作业。

⑥施工及使用过程中应经常检查结构构架有无变形、弯曲、晃动，发现问题及时上报处理。

6、实施效果

①该悬挑模架结构成功地解决了高空悬挑砼结构主体及装饰阶段施工对模架、脚手架的需求，达到一架两用。同时架体用材采用脚手钢管，工程成本低廉，经济效益显著。

②按本模架设计施工，施工过程中未出现引架体强度不足导致的结构变形等质量、安全事故，为工程的顺利施工提供了技术保障。