高空大懸挑結(jié)構支撐體系的施工應用QC

高空大懸挑結(jié)構支撐體系的研制與應用江蘇**深圳分公司深圳**展覽中心45m高支模QC小組一、前言

（一）企業(yè)簡介

江蘇省**建設股份有限公司是國家房屋建筑工程施工總承包特級企業(yè)，1982年5月進入深圳參加特區(qū)建設。公司以“嚴守法規(guī)、奉獻用戶、精益求精、質(zhì)量興業(yè)”為質(zhì)量方針，近年來多次獲得省、市優(yōu)質(zhì)工程獎，十一次榮獲“魯班獎”,被評為“全國工程建設質(zhì)量管理優(yōu)秀企業(yè)”，樹立了良好的質(zhì)量信譽。

（二）工程概況

深圳**展覽中心位于深圳市中心區(qū)，總建筑面積255616m2，是座具有國際標準的超大型展覽建筑，也是深圳市的標志性建筑。建筑物長：540m（18×30m），寬282m（126m＋30m＋126m）。主體為鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構，中間跨跨度30m（空腹柱外截面4m×4m），兩翼鋼結(jié)構屋架跨度126m。**展覽中心地下局部三層，地上六層，總高60m；45m標高懸挑梁（懸挑15.545m）兩端鉸支座支撐鋼屋架將**中心屋蓋。該工程規(guī)模大，采用新技術多，2003年被建設部批準立項為綜合科技示范項目（立項批文為建科函*號，項目編號為*）。圖1深圳**展覽中心心主體結(jié)構外外貌

45m層：長360m，寬60m，橫向柱間雙排預應力魚腹式框架梁（共24根）SL1截面尺寸為1m×5.368m～6.368m，跨度30m；柱外兩端各懸挑出15.545m（各24根），截面尺寸為1m×2.826m～5.368m。懸挑范圍從4-16軸，共計360m（12×30m）長，懸挑部位的投影面積達11192.4m2。

二、QC小組簡介

由于本工程魚腹式懸挑梁混凝土結(jié)構截面大、懸挑長、高度高，懸挑部位面積大，且工期要求嚴，本工程無類似施工經(jīng)驗，深圳乃至國內(nèi)無類似工程可借鑒。急需研究、制定科學、可靠、適宜的方案并實施，以確保魚腹式45m高大懸挑梁高支模的施工質(zhì)量、安全和工期，故在工程開工之初本公司就成立了深圳**展覽中心45m高支模QC小組。其小組成員基本情況如下表（表1）：QC小組成員一覽表表1小組名稱深圳**展覽中心心45m高支模QCC小組成立時間2002.11小組類型創(chuàng)新型活動時間新注冊日期2002.11注冊編號2002-11001活動頻率平均每三周一次課題活動次數(shù)16序號姓名性別年齡文化程度職務職稱組內(nèi)職務TQC教育1男36?？萍夹g部經(jīng)理高級工程師組長均超48學時以上2男35本科工程部經(jīng)理高級工程師副組長3男53本科項目總工程師教授級高工副組長4男53專科項目經(jīng)理高級工程師副組長5男32本科技術處副主任工程師副組長6男36?？萍夹g部副經(jīng)理工程師組員7男35碩士技術部副經(jīng)理高級工程師組員8男34本科技術部副經(jīng)理高級工程師組員9男37中專安全部副經(jīng)理助理工程師組員10男25本科技術部資料員助理工程師組員11男36中專工長助理工程師組員12男23中專工長助理工程師組員制表：**復核：**日期：2002年11月5日特邀*大學建筑工程系副主任郭正興教授、清華大學結(jié)構工程研究所黃李驥博士擔任本QC小組技術顧問。三、選擇課題

（一）問題的提出

45m高魚腹式懸挑梁混凝土結(jié)構截面大、懸挑長、高度高，工程量大，安全施工面臨嚴峻考驗，質(zhì)量要求嚴格，工期緊迫，本工程45m高魚腹式懸挑梁施工深圳乃至國內(nèi)無此先例，本公司在此方面無施工經(jīng)驗，并且無類似工程可以借鑒。

傳統(tǒng)滿堂腳手架使用存在以下問題：

⑴鋼管、扣件均需人工搭設/拆除，不僅增加投資，而且嚴重影響工期；

⑵40多米高鋼管自身重量達300kg，使鋼管腳手架承載減弱1/4~1/3，需設置雙鋼管立桿，且立桿密度加至@400mm，懸挑魚腹梁下@250mm，腳手架鋼管、扣件使用較多，僅高支撐模板一項估計將需投入鋼管18,000噸，扣件630萬只，人工、運輸、租賃費用等極其昂貴；

⑶由于立桿、水平桿密度大，人無法操作、檢查；構造要求的水平、垂直方向剪刀撐也無法搭設，架體垂直度無法控制，容易失穩(wěn)，安全隱患較多；

⑷依據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規(guī)范》（JGJ130-2001）“對高度24m以上的雙排腳手架，必須采用剛性連墻件與建筑物可靠連接。”（強制性條文），但施工現(xiàn)場1~4層層高為7.5/15m，柱距為30m，無法按規(guī)范6.1.1條款中“二步三跨或三步三跨”的規(guī)定設置連墻件。（二）課題確定

由此可見，傳統(tǒng)鋼管腳手架無法滿足要求，項目部需創(chuàng)建新型的支撐體系來替代。

本次QC小組活動的課題為：四、設定課題目標

（一）目標

深圳**展覽中心高空大懸挑結(jié)構支撐系統(tǒng)穩(wěn)定、安全。

（二）目標值

1）、施工加荷過程中豎向構件側(cè)向變形控制在5cm以內(nèi)；

2）、支撐系統(tǒng)剛度滿足要求，砼澆筑過程中沉陷控制在2cm以內(nèi)；

3）、支撐系統(tǒng)于2003年7月30日前安裝完畢，以確保魚腹式懸挑梁砼2003年8月底全部澆筑完畢（節(jié)點工期）。

（三）、目標可行性論證

1、有利條件：

1）、任何支撐體系均為型鋼作構件組成有限元的結(jié)構體系，即可通過鋼結(jié)構等專用軟件實現(xiàn)結(jié)構的應力、應變模擬試驗；

2）、本工程高支撐體系研制得到了清華大學土木工程系結(jié)構工程研究所*博士以及東南大學*教授等技術指導，并擔任本小組顧問；本小組技術力量強干，集我公司以及**展覽中心項目部技術骨干組成，不含技術顧問其中高級工程師6名（含教授級高級工程師1名）；

3）、得到深圳**鋼結(jié)構建筑安裝工程有限公司、中鐵**局集團有限公司等單位積極參與，實行“強強聯(lián)合”。

2、不利條件：

1）、工程量大，工期緊迫；

2）、安全隱患多；

3）、需投入大量人力、物力。綜合以上情況，經(jīng)過客觀分析，本小組一致認為：五、提出方案，確定最佳方案

（一）方案的提出

在開工之初，圍繞課題，小組成員通過“頭腦風暴法”集思廣益對其高支撐模板方案進行討論，按支撐結(jié)構形式歸納共提出四種方案及其立面圖如下：

1、格構式鋼框架支撐體系2、萬能桿件組合支撐體系

3、懸挑式桁架梁支撐體系4、懸挑式鋼拉索支撐體系圖3四種方案立面示意圖（二）方案的分析、評估及選定

1、方案一的分析論證

采用鋼結(jié)構桁架支撐平臺與鋼管排架相結(jié)合的辦法。具體施工方案是在±0.00結(jié)構或地面上澆筑混凝土基礎，豎鋼結(jié)構的型鋼格構柱，于柱頂上沿縱向架設鋼結(jié)構的橋式型鋼桁架梁，在桁架梁上沿橫向平鋪工字鋼梁，其中有一端直接附著在主體結(jié)構的30m樓面上，再在工字鋼平臺上搭設支撐45m層的滿堂紅鋼管排架支撐系統(tǒng)，來解決45m的高支模體系。其平面（單跨）、剖面示意圖如下圖：

由格構柱、桁架梁等構成平臺梁直接支撐腳手架體系，荷載通過鋼管排架傳遞給桁架柱和桁架梁；再傳遞給基礎。由于設置了水平桿及剪刀撐，為施工平臺提供足夠的剛度，以抵抗水平荷載或把水平荷載可靠地傳遞給相鄰的混凝土結(jié)構。

該方案具有：

⑴安全可靠，萬無一失；

⑵傳力明確，受力合理；

⑶施工便捷，實施可行；

⑷工廠制作，現(xiàn)場拼焊；定型穩(wěn)定，工期縮短；

⑸型鋼可回收利用，造價低，經(jīng)濟性好；

⑹柱距達10m，汽車可直接通行，便于大型設備等進場、安裝

經(jīng)研究分析對比，該懸挑梁下型鋼格構柱及縱向桁架梁組合的鋼框架支撐體系是比較安全、經(jīng)濟的做法，通過小組成員的討論，認為此方案能滿足要求。2、方案二的分析論證

鋼制萬能桿件又稱拼裝式鋼腳手架，可以組成桁架、龍門架等多種形式，通過選用基本單元為2×2m的萬能桿件組合成柱、平臺梁，把施工平臺傳來的荷載傳遞給基礎，施工平臺能夠達到足夠的剛度。萬能桿件拆裝容易，運輸方便，利用效率高，可以大量節(jié)省輔助結(jié)構所需的鋼管及木枋等，適用范圍較廣。其平面（單跨）、剖面示意圖如下圖：

該方案具有：

⑴安全性高，隱患較少；

⑵節(jié)點受力，傳力明確；

⑶施工便捷，實施可行；

⑷桿件定型，現(xiàn)場拼裝；

⑸桿件可反復使用，造價低，經(jīng)濟性好；

⑹立桿間距2m，小推車可以進出，但不便于大型設備進場

通過以上分析，我們認為第2種方案雖然基本滿足要求，但由于桿件使用量大，深圳乃至周邊地區(qū)短期無法供應；同時，由于立桿間距小，不便于大型設備進場穿插施工，影響后期施工進度，不宜采用該方案。3、方案三的分析論證

懸挑式桁架梁支撐體系是由德國GMP公司（設計院）建議的，利用+30.0m鋼筋混凝土結(jié)構樓面拼裝、滑移懸挑式鋼結(jié)構桁架梁平臺，但每間隔60m（縱向每兩跨）均有核心筒影響，并且E~F軸跨間設有光井，支撐體系先拼裝，后施工核心筒嚴重影響主體結(jié)構進度；技術上懸挑式桁架梁端部受力變形大；由于梁下凈高40.0m，安全隱患多，經(jīng)測算費用與第1、2種方案比較還高，吊裝、拆除均占主體結(jié)構施工工期，嚴重影響2004年第六屆高交會在會展中心召開。懸挑式桁架梁支撐體系立面示意圖如下：該方案具有：

⑴傳力明確，但端部撓度偏大；

⑵型鋼用量大，增加造價；

⑶跨內(nèi)設有核心筒、光井，嚴重影響主體結(jié)構施工進度；

⑷安全隱患多；

⑸現(xiàn)場需30m樓面結(jié)束后進行桁架梁拼焊，嚴重影響工期。

因此該方案不能采用。4、方案四的分析論證

懸挑式鋼拉索支撐體系是在懸挑式桁架梁支撐體系思路基礎上改進，通過增加兩道斜向鋼拉索與鋼桁架梁共同承載。在初步構思方面：減小鋼桁架梁尺寸，降低造價；除解決了懸挑式桁架梁端部變形外，但須待30.0m以上空腹鋼筋混凝土柱先施工，并達到設計強度后才能張拉斜向鋼拉索，必要時兩柱間40.0m左右增設水平拉桿（索）。懸挑式鋼拉索支撐體系立面示意圖如下：該方案具有：

⑴傳力明確，但須30m以上空腹砼柱有強度，才能承載；

⑵柱根部抗彎增大，鋼筋用量相應增加；

⑶鋼拉索張拉不便檢查；

⑷安全隱患多；

⑸造價高；

⑹桁架梁現(xiàn)場拼焊，嚴重影響工期。

因此該方案不能采用。

其四種方案優(yōu)（缺）點歸納匯總?cè)缦卤恚悍桨傅姆治?、評估及選定表表2序號支撐體系類型分析其優(yōu)（缺）點點方案選擇1格構式鋼框架結(jié)構支撐體系⑴安全可靠，萬無一一失；

⑵傳力明確，受受力合理；

⑶⑶施工便捷，實實施可行；

⑷⑷工廠制作，現(xiàn)現(xiàn)場拼焊；定定型穩(wěn)定，工工期縮短；

⑸⑸型鋼可回收收利用，造價價低，經(jīng)濟性性好。

⑹柱距達10m，汽車可直直接通行，便便于大型設備備等進場、安安裝可采用2萬能桿件組合支撐體系⑴安全性高，隱患較較少；

⑵節(jié)點受力，傳傳力明確；

⑶⑶施工便捷，實實施可行；

⑷⑷桿件定型，現(xiàn)現(xiàn)場拼裝；

⑸⑸桿件可反復復使用，造價價低，經(jīng)濟性性好。

⑹立桿間距2m，小推車可可以進出，但但不便于大型型設備進場不采用3懸挑式桁架梁支撐體系⑴傳力明確，但端部部撓度偏大；；

⑵型鋼用量大大，增加造價價；

⑶跨內(nèi)設有核核心筒、光井井，嚴重影響響主體結(jié)構施施工進度；

⑷⑷安全隱患多多；

⑸現(xiàn)場需30m樓面結(jié)束后后進行桁架梁梁拼焊，嚴重重影響工期。不采用4懸挑式鋼拉索支撐體系⑴傳力明確，但須330m以上空腹砼砼柱有強度，才才能承載；

⑵⑵柱根部抗彎彎增大，鋼筋筋用量相應增增加；

⑶鋼拉索張拉拉不便檢查；；

⑷安全隱患多多；

⑸造價高；

⑹桁架梁現(xiàn)場場拼焊，影響響工期。不采用制表：**復核：**日期：2003年2月16日（三）、確定最佳方案

由此可見，通過對比分析：第1種方案一致評為最佳方案。即：采用鋼結(jié)構桁架支撐平臺與鋼管排架相結(jié)合的辦法。具體施工方案是在±0.00結(jié)構或地面上澆筑混凝土基礎，豎鋼結(jié)構的型鋼格構柱，于柱頂上沿縱向架設鋼結(jié)構的橋式型鋼桁架梁，在桁架梁上沿橫向平鋪工字鋼梁，其中有一端直接附著在30m的主體結(jié)構上，再在工字鋼平臺上搭設45m層的滿堂紅鋼管排架支撐系統(tǒng)，來解決45m的高支模體系。

六、問題假想預測

（一）格構式鋼框架結(jié)構支撐系統(tǒng)流程圖（如下：）（二）問題假想預測

我們組織小組成員調(diào)閱報刊、雜志、互聯(lián)網(wǎng)，對有關高支撐方面所發(fā)生的質(zhì)量（安全）事故進行收集，通過對鋼管腳手架高支撐模板體系特大事故進行篩選，以防支撐體系出現(xiàn)類似問題，主要原因歸納如下：

1、施工專項方案不合理，主要體現(xiàn)在：

⑴由于設計受力模型不正確，如鉸接按剛性框架設計；

⑵材料選用不正確，致使構件自由長度偏長而受力失穩(wěn)；

⑶構造措施不全面，致使架體側(cè)向剛度不足而受力失穩(wěn)；

2、基礎承載能力不明確，主要體現(xiàn)在：

⑴原土或回填土地耐力不足，構件不均勻沉陷，出現(xiàn)架體失穩(wěn)；

⑵回填土不密實；

⑶承載范圍未硬質(zhì)化，經(jīng)雨水浸泡，承載力降低；

3、操作過程中未按規(guī)范以及批準的方案實施，主要體現(xiàn)在：

⑴節(jié)點連接不滿足要求；

⑵構造措施如水平拉桿、剪刀撐不滿足要求；

⑶三維構件間距不滿足要求；等等七、確定對策

通過上述問題假想預測所歸納的幾種原因，結(jié)合格構式鋼框架結(jié)構支撐的系統(tǒng)流程圖，制定實施對策如下表：對策表

表3序要求對策目標措施地點時間負責人1建立應力應變模型型進行深化設設計

建立應力、應變模模型通過不對對稱加載分析析，進行力學學計算、構件件驗算等解決實際施工不對對稱加荷垂直直度偏差以及及自由長度偏偏大、加強節(jié)節(jié)點剛度，減減小應力1、以清華大學科研研所為技術依依托，重新運運用有限元分分析軟件進行行深化設計；；清華大學土木工程程系研究所2003年3~55月2、增設水平桿及垂垂直剪刀撐桁桁架梁；3、在格構柱兩側(cè)加加大節(jié)點板厚厚度及尺寸?，F(xiàn)場2003年4~77月2確保地基承載能力力地基調(diào)查、進行驗驗算，確定是是否加固避免基礎下沉的負負面影響1.現(xiàn)場定位放放線，勘察地地基，并進行行密實度檢測測和驗算2.通過驗算結(jié)結(jié)果確定是否否加固現(xiàn)場2003年5~66月3確保制作以及拼裝焊接質(zhì)量實現(xiàn)制作、安裝全全過程控制確保拼裝焊接質(zhì)量量及多方驗收收合格1.委托專業(yè)廠廠家制作、安安裝，2.檢查桿件尺尺寸3.檢查搭接焊焊長度4.現(xiàn)場檢查垂垂直度等車間

現(xiàn)場2003年6~77月4確保支撐體系側(cè)向向穩(wěn)定性檢查連墻件以及水水平拉桿、水水平、豎向剪剪刀撐確保支撐體系整體體的穩(wěn)定性1.樓面連接板板預埋的復核核、補強2.檢查、校正正水平桿3.檢查、校正正水平、豎向向剪刀撐現(xiàn)場2003年6~77月制表：**復核：**日期：2003年3月說明：+30.0m平臺以上（45m層魚腹式預應力梁下）采用組合鋼管柱滿堂腳手架支撐體系，由于在7.5m、15m、30m等樓面結(jié)構施工時得到驗證，故在這里不作專題論證。八、對策實施

實施一：（分兩步驟）

步驟一：建立應力、應變模型通過不對稱加載分析，進行深化設計，設計部分由**執(zhí)行。

步驟二：現(xiàn)場連墻桿埋件等措施由**落實實施實施二：

地基調(diào)查、地基承載驗算，確定是否進行地基加固，由**執(zhí)行。

實施三：

實現(xiàn)制作、安裝全過程控制，以提高拼裝、焊接質(zhì)量，由**負責執(zhí)行。實施四：

定期/不定期檢查連墻件以及水平拉桿、水平、豎向向剪刀撐等構造桿件，由**執(zhí)行。其格構式鋼框架結(jié)構全景及局部放大詳見下頁圖11、12：拆模后懸挑預應力鋼筋砼梁外貌見圖13：九、總體效果檢查對比（安全、工期、經(jīng)濟等效益）

1、安全方面：通過定期沉降觀測，基礎未出現(xiàn)不均勻沉陷現(xiàn)象，砼澆筑后最大沉陷值為0.5cm；使用經(jīng)緯儀定期觀測豎向構件的垂直度，砼澆筑后的鋼框架側(cè)向最大變形為2.5cm；本工程施工階段無發(fā)生任何事故。

2、進度方面：原計劃