沈阳南站主体结构为钢筋混凝土结构, 构件跨度大, 截面尺寸大, 自重较重。以中央站房承轨层顶板梁为例, 最大梁截面尺寸为2 650mm×1 250mm, 结构最大跨度为24m×27.75m, 承轨层楼板厚350mm, 结构复杂, 次梁多而且间距小, 最小间距仅为1.86m, 结构层高为11.5m, 此处顶板梁结构跨度与构件规格尺寸大, 工期较紧张, 工程施工难度大。东、西站房建筑面积分别为3.9万m²和2.1万m², 如图1所示。面对大跨度钢筋混凝土结构工程, 工程中必须使用高大模板, 而高大模板施工风险大, 需要注意的事项多^[1]。所以如何让高大模板在安全的前提下, 节约时间、材料成为一个重要问题。

由于ADG脚手架具有施工便捷、构件不易丢失、强度高、变形小等优点^[2], 所以在沈阳南站施工过程中采用该形式脚手架。结合工程实际, 对传统意义上的ADG脚手架进行改进。对传统意义上的ADG脚手架支撑体系分支方案 (方案1) 和改进后采用的悬挑式三角挂架方案 (方案2) 进行比较。

根据梁和板混凝土结构尺寸变化情况, 在混凝土结构下方分别设置梁、板构件各自支撑体系。由于混凝土梁截面尺寸不同, 自重大小不同, 梁下支撑体系有2种不同做法。当梁下截面面积<2.5m²、梁宽≤1m时, 采用立杆与横杆散支散拆方案, 如图2所示;当梁截面尺寸>2.5m²或梁宽>1m时, 采用空间塔架结构, 如图3所示。

根据水平混凝土构件支撑体系的相关规范规定 (梁宽度方向向两侧延伸时, 板下第1排立杆与梁边距离≤300mm) , 在梁板分支的情况下, 混凝土梁两侧将会有进行检查、拆除模板、运输材料时行走, 操作空间小, 极其不便。

采用杆件散支散拆方案时, 钢材平均用量为12.8kg/m³;采用空间塔架结构时, 钢材平均用量为19.5kg/m³。

根据梁和板混凝土结构尺寸变化情况, 采用悬挑式三角挂架代替梁或板下部分支撑立杆。三角悬挑挂架材质为Q345B, 管径为48.3mm, 管壁厚≥2.7mm。三脚架分2种:1 000mm (高) ×300mm (宽) (见图4a) 和1 000mm (高) ×500mm (宽) (见图4b) 。

由于混凝土梁的截面尺寸不同、自重大小不同, 梁板下支撑体系有2种不同做法。

1) 当梁截面面积≤1.2m²时, 采用“板挑梁”的方式作为支撑体系, 即取消梁下支撑立杆, 在与梁相邻的板边第1根立杆顶端安装三角悬挑架, 在悬挑架上安装龙骨和模板, 如图5所示。

2) 当梁截面尺寸>1.2m²时, 采用“梁挑板”的方式作为支撑体系, 即保留梁下竖向支撑体系, 取消与梁相邻的结构板下第1排支撑立杆, 在与板相邻的梁边第1根立杆顶端安装三角悬挑挂架, 在悬挑架上安装龙骨和模板, 如图6所示。

取消梁下立杆支撑或部分楼板下立杆支撑, 在施工人员进行脚手架体内检查、模板拆除与运输时, 可以有足够的行走和操作空间, 大大增加作业的便利程度。

在沈阳南站东站房采用“板挑梁”方案, 梁下支撑体系钢材平均用量4.2kg/m³, 在沈阳南站中央站房采用“梁挑板”方案, 梁下支撑体系不变, 板下支撑体系减少至3.2kg/m³。

制作受力模型时, 力求使架体形式与现场实际情况保持一致, 包括杆件材质与规格、架体高度、立杆间距、横杆步距。经过检测, 单个悬挑支架承载力为35kN。

脚手架搭设使用前, 选择1跨具有代表性的框架梁下脚手架进行承重堆载试验, 检验脚手架的安全稳定性能^[4]。

预压试验根据检测目的不同分为2种: (1) 检验地基基础的承载力与沉降变形情况; (2) 检验支撑体系本身的安全性, 包括承载力和变形情况。本工程所有顶板梁支撑体系均可落地搭设在下层楼板或基础底板上, 无须进行地基基础的预压实验。

根据三角悬挑挂架架体受力状态分析, 预压试验存在2个检验目的: (1) 三角挂架在加载状态下能否具备应有的承受力和变形控制值; (2) 取消部分立杆后, 三角架体系生根处的立杆增加荷载后, 整个架体能否保持稳定性。

采用“板挑梁”方案时, 最大梁截面尺寸为1.2m², 立杆纵向间距为1.5m, 混凝土梁自重、施工荷载、模板自重及其他荷载合成后, 总荷载为51.66kN, 每个支架应承受的荷载为25.83kN。预压时考虑1.2倍的安全系数进行试验, 试验方法为:在梁跨中两侧选取4个支点 (4个三角悬挑挂架共同承力) , 在4个支点顶安装2I14龙骨, 调整龙骨使其平行且等高, 形成堆载平台。在龙骨上堆载, 堆载质量为12.4t (小于试验报告中极限荷载) 。

加载前, 在安装三角挂架的立柱顶端、中部和底部分别设置观测点, 用于观察立柱的变形情况, 并记录各自的原始标高及立柱垂直度。在堆载平台上堆载预定荷载, 分为3级加载, 3级加载分别为预压荷载值的60%, 80%, 100%, 加载过程中沿着堆载平台两侧对称布置, 每级加载完成后预留架体变形时间并记录每次加载后的沉降值和立杆垂直度变形量, 经过72h预压完成后, 立杆顶端沉降平均值为3.2mm, 立杆整体压缩值为1.3mm, 立杆垂直度变形量为1.3mm。

采用“梁挑板”方案时, 最大梁截面尺寸选取2.6m×1.25m, 立杆纵向间距为0.7m, 楼板厚度为350mm, 次梁最大净间距为2.4m, 最小净距1.86m, 所有混凝土梁自重、施工荷载、模板自重及其他荷载合成后, 总荷载为16.68kN/m, 支架本身仅承受板的质量, 每个支撑应承受的荷载为5.9kN (已考虑1.2倍安全系数) 。试验方法为:在梁跨中两侧选取8个支点, 其中4个三角悬挑挂架支点顶部应高出梁顶部标高1m, 在4个支点顶安装2I14龙骨, 调整龙骨使其平行且等高, 形成上层堆载平台。在此堆载平台上堆载质量为2.34t;塔架顶端选用4个支点做成下层堆在平台, 在此堆载平台上堆载质量为8.8t (小于试验报告中极限荷载) 。

加载前, 在安装三角挂架的立柱顶端、中部和底部分别设置观测点, 用于观察立柱的变形情况, 并记录各自的原始标高及立柱垂直度。在堆载平台上堆载预定的荷载。经过72h预压完成后, 立杆顶端沉降平均值为2.1mm, 立杆整体压缩值为1.1mm, 立杆垂直度变形量为1.1mm。

针对东、西站房与中央站房混凝土结构的不同特点, 在沈阳南站工程中分别采用2种不同的三角挂架方式, 即在东站房中采用“板挑梁”方式, 在中央站房承轨层采用了“梁挑板”方式。

1) 东、西站房

东站房顶板厚度为150, 130mm, 梁截面尺寸为500mm×1 200mm, 500mm×1 000mm, 300mm×800mm, 250mm×500mm等, 最大跨度为24m。层高由下而上分别为7.65, 7.5, 9, 7.5, 5m。西站房结构形式与东站房基本一致。

模板方案配置情况:梁底模板和顶板模板采用15mm厚多层板, 梁下次龙骨采用木方100mm×100mm@150mm, 主龙骨采用I14梁, 板下次龙骨采用木方100mm×50mm@200mm, 主龙骨采用I14梁, 三角挂架沿着梁长在板边第1排立杆上安装, 间距最大为1.5m。配置情况如图7所示。

2) 中央站房

中央站房顶板厚度为350, 200mm, 梁截面尺寸为2 600mm×1 250mm, 2 000mm×1 000mm, 2 400mm×1 000mm, 1 800mm×900mm等, 最大跨度为24m。层高由下而上分别为11.9, 9, 7.5m。

模板方案配置情况:梁底模板和顶板模板采用15mm厚多层板, 梁下次龙骨采用木方100mm×100mm@100mm, 主龙骨采用I14梁, 板下次龙骨采用木方100mm×50mm@100mm, 主龙骨采用I14梁, 三角挂架沿着梁下立杆和塔架侧面, 间距为0.7m。为加强架体整体性, 采用钢管将挂架两侧支架连接成一个整体, 连接杆件水平和竖向间距均为≤3m。

模板和主、次龙骨的受力形式及现场布置情况与传统梁板分支情况相比, 基本无变化, 在受力计算时就不再重复进行。不同之处在于局部竖向构件所承受的竖向荷载有所增加, 因此仅针对竖向杆件计算。

1) 立杆承载力计算

梁底部立杆承担的荷载面积梁取0.7m×1.5m作为计算单元、混凝土板取0.5m×1.5m作为计算单元。立杆承担计算单元范围内的施工活荷载、梁自重、模板自重、工字钢自重、架体自重。

取0.7m×1.5m作为计算单元的混凝土、模板、工字钢、架体恒荷载设计值分别为81.9, 1.26, 0.31, 2.4kN, 立杆承担的活荷载设计值为4.41kN。

取0.5m×1.5m作为计算单元的混凝土、模板、工字钢、架体恒荷载设计值分别为7.9, 0.9, 0.31, 1.2kN, 立杆承担的活荷载设计值为3.2kN。

经计算, 单根立杆承载力为103.79kN, 满足要求。

2) 立杆稳定性验算根据GB50017—2017《钢结构设计标准》^[8]计算可得, 立杆稳定性满足要求。

1) 立杆承载力计算

立杆承担的荷载面积板取1.5m×1.5m作为计算单元, 混凝土梁取0.2m×1.5m作为计算单元。

取1.5m×1.5m作为计算单元的立杆承担的混凝土、模板、工字钢、架体恒荷载设计值分别为13.5, 2.7, 0.31, 3.6kN, 立杆承担的活荷载设计值为9.5kN。取0.2m×1.5m作为计算单元的立杆承担的混凝土、模板、工字钢、架体恒荷载设计值分别为18, 0.36, 0.31, 1.5kN, 立杆承担的活荷载设计值为1.26kN。

经计算, 立杆承载力为51.04kN, 满足要求。

2) 立杆稳定性验算

根据GB50017—2017《钢结构设计标准》计算可得, 立杆稳定性满足要求。

1) 通过本工程中在大跨度、超高混凝土支撑体系中三角悬挑挂架的运用及计算分析, 在盘扣式脚手架中φ60.3, Q345立杆在大型公共建筑 (特别是一般民用建筑中) 结构施工中保留了较多的富余承载力, 通过三角悬挑挂架, 取消了部分立杆, 加大立杆间距, 节约材料的同时, 减少人工和机械的投入, 加工支撑体系搭设速度, 大大节约工期, 取得良好的经济效益。

2) 利用预压技术检验架体的稳定性和安全性, 通过检查预压数据验证了架体稳定性, 为混凝土结构施工安全性提供保证。为以后工程进行预压实验提供经验。

3) 根据结构形式不同, 选择更加有利于施工进度、质量、安全的支撑形式。当梁中设置有预应力筋而板为普通楼板时, 考虑到预应力应在混凝土结构实体强度达到设计强度100%才能张拉, 应首选“梁挑板”, 这样可以在混凝土达到75%强度优先拆除跨度<8m的楼板, 梁支撑继续保留, 这样可提前结束楼板支撑租赁周期, 达到节约成本的目的。