20世纪60年代初, 我国开始采用扣件式钢管脚手架, 由于其搭设的操作平台具有操作灵活、搬运方便、实用性强等特点, 在我国应用十分普遍^[1]。

商业综合体常见圆形或椭圆形采光顶, 此类采光顶的施工常规方法采用满堂脚手架作为操作平台, 人工、物料投入较大, 经济性较差且施工过程中具有安全隐患。另外, 满堂脚手架影响室内步行街的装饰装修、扶梯安装及首层道路正常通行, 严重制约工程整体进度。

随着建筑工程的不断发展, 一些安装工程对操作平台的选择有着特殊需求, 如缩短工期、降低成本等, 需结合工程实际找出适合工程施工的操作平台。采用钢丝绳软平台可成功解决以上问题, 在采光顶安装施工过程中可进行推广应用。本文结合眉山万达广场工程圆形采光顶操作平台施工, 介绍软平台施工方法不仅改善各工序在同一流水断面交叉作业造成作业面被占据的情况, 还显著降低施工成本。

眉山万达广场项目是地下1层和地上4层商业综合体, 采光井类型分别为圆形、椭圆形和长廊形3种, 采光井内均设有由1层通至4层的自动扶梯。其中, 圆形采光井外径20.4m;椭圆形采光井长轴长32m, 短轴长22.6m, 两采光井底部标高均为20.700m, 顶部标高均为28.400m。网壳安装须搭设操作平台。由于项目工期紧, 各工作流水断面交叉复杂, 采用传统满堂脚手架为安装采光井网壳的操作平台将难以满足工期要求。圆形采光井三维模型如图1所示。

采光井满堂脚手架操作平台搭设高度约为27m, 属于危险性较大的分部分项工程, 搭设困难。搭设完成后, 采光井内的自动扶梯安装进度滞后, 影响整体扶梯验收。另外, 采光井周围的装饰装修难以开展, 且脚手架外支撑占据施工通道, 给其他施工作业带来诸多不便。

采用整体吊装法可解决室内装修工期延误问题, 但因场地布局限制及机械需求, 往往需使用更多起重机械, 同时地面拼装的网架平台需分段悬挂于采光井钢架, 安全隐患较大。研发一种切实可行的操作平台很有必要。

生活中, 常见蜘蛛结网、网球拍和羽毛球拍等网状结构实物, 皆属于软体结构, 网体附着在外围结构中, 具有一定的强度和韧性。软体结构应用到工程中须验算网体结构和外围结构的稳定性与安全性。对于采光井工程, 可用钢丝绳替代网体, 采光井反梁视为外围结构, 钢丝绳附着在反梁结构中。通过张拉钢丝绳, 使之形成一个具有一定强度和刚度的悬索结构, 再在此悬索结构中铺设垫板, 形成操作平台, 即软平台。在此软平台上搭设门式脚手架, 即可作为采光井网壳安装的操作平台。悬索结构三维模型如图2所示。

理论计算与分析对实践具有指导作用。悬索结构的可行性分析包括钢丝绳的受力分析和反力对反梁结构的受力分析。

计算钢丝绳受力可采用有限元通用分析软件 SAP2000.15.2.1中框架单元模拟索。平面悬索结构在门式脚手架和垫板荷载作用下主要受拉力, 只需把索截面惯性矩设置为足够小即可^[2]。钢丝绳直径可根据荷载组合值并结合钢丝绳技术参数表得出。计算结果与索结构设计规范做对比, 确定受力许可限度。

分析混凝土结构受力有很多种工程软件, 本工程采用有限元分析软件ANSYS14.0对结构进行模拟和分析, 得到相关位移云图, 将这些数据与GB50010—2010《混凝土结构设计规范》 (2015版) 做对比, 确定反梁结构挠度限值。

蜘蛛网属于放射状网体, 其间有多边形网, 且节点处连接困难, 给施工带来较大不便。羽毛球拍形网状体横平竖直, 网体线可上下穿插交错, 施工相对简便。于是考虑采用类似于羽毛球拍软体结构作为搭设平台, 建立悬索结构有限元模型, 对其进行分析。

钢丝绳技术参数的选定可参照《五金手册》。本例中, 钢丝绳选型如表1所示。

ϕ16钢丝绳破断力取150kN, 预紧力取破断力的15%, 即约20kN。拉索的预应力综合考虑温度变形、主体结构变形及索蠕变等因素而提前施加的力。在主体结构中, 预应力通常为破断力的20%～30%, 此方案对挠度变形没有过严要求, 也为了不给主体结构过大拉力, 此处预应力折中。

悬索结构钢丝绳网格尺寸划分为0.6m×1.2m。经计算, 软平台恒荷载为1.42kN/m², 活荷载为0.216kN/m²。数值分析采用SAP2000, 由于挠度峰值出现在结构中部, 故荷载施加于中间区域。其计算模型、荷载施加及约束条件如图3所示。

经非线性分析, 钢丝绳的最大拉力为44.4kN, 钢丝绳的破断力为150kN, 安全系数为3.45。关于安全系数, 根据JGJ257—2012《索结构技术规程》, 其取值为2.0, 此处安全系数为3.45, 故满足设计要求。

由悬索结构的挠度计算结果可知, 最大挠度值为518mm。另外, 根据《索结构技术规程》, 挠度取跨度的1/45, 其挠度限值为20 400/45=450mm。本计算所得挠度值为518mm, 稍大于挠度限值, 但在不增加对主体结构受拉的前提下, 能满足施工要求。

利用ANSYS14.0进行数值模拟和分析。混凝土结构模型采用solid45单元^[3,4], 弹性模量取值 3.0×10¹⁰Pa, 泊松比为0.167, 高0.9m, 厚0.45m;钢筋采用link180单元, 弹性模量取值2.06×10¹¹Pa, 泊松比为0.3^[5];线荷载取值为40kN/m。模型网格尺寸取0.1m, 其计算模型如图4所示。

采光顶结构相当于一个悬臂梁结构, 一端刚接, 一端自由。可将模型底面视为固定端约束, 外露部分视为自由端。荷载以面荷载形式施加在相应位置。约束与荷载施加如图5所示。

ANSYS计算结果由一系列云图组成, 包括位移云图、应力云图和应变云图等。其中, 位移云图能直观反映结构变形状况, 可通过分析总位移云图得到计算结果。

由总位移云图可知, 上端为位移极值, 可得到结构最大位移为0.132×10^-5km=1.32mm, 属于微小位移。根据《混凝土结构设计规范》第3.4.3节中表3.4.3的取值, 如表2所示。反梁结构的允许挠度值为0.9×2/200=0.009m=9mm>1.32mm, 故结构满足挠度要求。软件模型材料属性为连续性性质, 实际结构中的挠度值会稍大一些。

综上所述, 软平台设计满足相关规范要求, 具有实际可行性。

施工前, 根据工程实际情况和理论计算过程编制专项施工方案, 并对方案进行逐级交底。施工主管人员必须熟知方案, 带领施工人员观察现场、了解工作环境, 与施工人员探讨还需准备的地方;确保施工方法和方案的要领为众人悉知, 挑选操作经验丰富的工人参加。施工中, 专业工长全程指导、监督。

采光井钢筋混凝土结构反梁浇筑混凝土前要进行套管和预埋件安装施工, 反梁与屋面板一次浇筑成型, 确保反梁结构的整体稳定性。

软平台施工应基于理论分析和专项施工方案, 确保反梁结构和绳索结构正常受力。

套管底部距离屋面结构板500mm, 减少梁端部负弯矩数值。短轴与长轴方向钢丝绳间距根据计算确定, 短轴套管设置于长轴套管底部。待间距确定后进行套管定位, 保证套管不受混凝土浇筑影响而移位。

钢丝绳穿插顺序按先穿长轴方向后短轴方向进行, 长轴向穿插完成后, 短轴向钢丝绳与长轴向上下交错穿插。张拉钢丝绳顺序为先长轴后短轴, 从中间开始对称向两侧进行, 钢丝绳一端为固定端, 另一端为张紧端。钢丝绳张拉使用2t手拉葫芦张拉钢丝绳, 张拉数值为1.47kN, 张拉至设计预拉力后, 用3个卡扣固定, 卡扣末端预留足够的钢丝绳长度 (≥10m) , 再使用1个卡扣固定。

钢丝绳卡扣需提前检测, 模拟与现场条件相同的固定方式, 采用手拉葫芦给试验件施加张力73kN。检查24h卡扣变化情况, 确定无明显变化后方可进行木板铺装。卡扣固定如图6所示。

采用夹心木模板作为软平台面层, 其中下层木模板采用915mm×1 830mm模板布置, 每张木模板底部应正处于钢丝网中心方格中, 保证木模板至少与2条横纵钢丝绳交接, 板间搭接面积至20%时相对稳定。中间层采用40mm×80mm木方平放, 间距200mm;木方上部铺设顶层木模板, 此层模板接缝应与下层模板错开至少1/3幅宽, 随铺随用1寸 (10/3mm) 钢钉固定。模板面层剖面如图7所示。

木模板平台为门式脚手架的搭设提供基面, 本工程采光顶需门式脚手架平台的最大高度为6m, 其余随施工部位相应调整, 保证操作面距采光顶网壳结构≤1 200mm。脚手架只做操作平台使用, 严禁堆放任何工程材料。现场须加强此阶段的监督力度。另外, 每天要对操作平台使用情况进行检查, 严禁超载。以卡扣为基准点, 向两侧各喷涂10cm蓝色油漆, 每天间隔2h观测钢丝绳油漆位移情况, 并形成观测记录。

搭设完成后第20天的反梁位移观测数据为1.83mm, 第25天的观测数据为2.04mm, 第35天的观测数据为2.16mm, 稍>1.32mm, 但均小于结构挠度限值9mm, 故满足结构挠度要求。

门式脚手架平台如图8所示, 软平台整体效果如图9所示。

将门式脚手架等全部清理出平台, 拆卸木板, 拆卸顺序为从中间开始向四周进行。最后拆卸钢丝绳网格, 拆卸顺序为先短轴后长轴, 从中间向两侧对称拆卸。

软平台操作简便, 施工迅速。从钢丝绳穿插作业至软平台拆卸共计工期55d, 较传统脚手架平台提前约35d, 节约成本约11万元。

经测算, 软平台与传统脚手架平台的经济效益对比分析如表3所示。

软平台相对于整体吊装虽延期10d, 但节约成本约14.5万元, 工程效益可观。

软平台为采光井施工带来便捷, 但在钢丝绳作业中也有一些缺陷, 也是软平台施工值得注意的地方。

工程实践证明, 软平台可用于中庭上方圆形及椭圆形采光顶 (有高于屋面反梁) 施工, 也适用于大型商业等局部中空装饰装修工程, 有2个优点:①钢丝绳软平台可替代满堂脚手架, 用于圆形及椭圆形采光顶施工, 施工速度快, 效率高, 有较好的安全性和经济性;②钢丝绳软平台可有效解决采光顶穹顶施工、室内步行街装饰装修、扶梯安装等多个分项工程同时交叉施工作业面被占据的问题, 更快地推进项目整体进度。

利用软平台作为采光井网壳安装的平台, 前期策划比较繁琐;需较高的理论计算水平, 对反梁结构也有较高要求。若反梁为后浇结构且截面较小, 不建议使用该平台;若截面满足设计要求, 则须处理前、后浇筑面, 确保新旧混凝土结合紧密。施工中, 钢丝绳穿插上下交错、密织成网, 有一定施工难度。

结合眉山万达广场项目圆形采光井网壳安装工程, 研发新的操作平台即软平台, 通过有限元软件对软平台进行数值模拟和可行性分析, 计算结果均符合设计规范要求。钢丝绳软平台加快工程整体进度的推进, 较传统的满堂脚手架和整体吊装在安全性、经济性方面都有较大优势。眉山万达广场项目采用钢丝绳软平台解决了圆形及椭圆形采光顶网壳的安装施工, 使各交叉复杂的流水断面作业得以顺利开展, 既缩短工期, 又降低成本, 效果良好, 可为类似工程提供借鉴。