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1、高空大懸挑結構支撐體系的研究與應用 公司深圳會議展覽中心 45m 高支模 QC 小組 一、前言 （一）企業簡介 股份有限公司（原江蘇一建）是國家房屋建筑工程施工總承包特級企業，1982 年5 月進入深圳參加特區建設。公司以“嚴守法規、奉獻用戶、精益求精、質量興業”為質量方針，近年來多次獲得省、市優質工程獎，十一次榮獲“魯班獎”,被評為“全國工程建設質量管理優秀企業”，樹立了良好的質量信譽。（二）工程概況 深圳會議展覽中心位于深圳市中心區，總建筑面積 255616 m2，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（1830m），寬 282m（126m30m1262、m）。主體為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，中間跨跨度 30m（空腹柱外截面 4m4m），兩翼鋼結構屋架跨度 126m。會議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會議中心屋蓋。該工程規模大，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200392 號，項目編號為 03-4-003）。圖 1 深圳會議展覽中心主體結構外貌 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1m5.368m6.368m，跨度 30m；柱外兩端各懸挑出 15.545m（各 24 3、根），截面尺寸為 1m2.826m5.368m。懸挑范圍從 4-16 軸，共計 360m（1230m）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驗，深圳乃至國內無類似工程可借鑒。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量、安全和工期，故在工程開工之初本公司就成立了深圳會議展覽中心 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 1QC 小組成員一覽表 表 1 小組名稱小組名稱 4、深圳會議展覽中心 45m 高支模 QC 小組 成立時間成立時間 2002.11 小組類型小組類型 創新型 活動時間活動時間 2002.11.12003.8.30 新注冊日期新注冊日期 2002.11 注冊編號注冊編號 2002-1101活動頻率活動頻率 平均每三周一次 課題活動次數課題活動次數 16 序號序號 姓名姓名 性別性別 年齡年齡 文化程度文化程度職務職務 職稱職稱 組內職務組內職務 TQC 教育TQC 教育1 張立新男 36 專科 技術部經理高級工程師組長 均超48學2 徐鋒 男 35 本科 工程部經理高級工程師副組長 時以上 3 朱國梁男 53 本科 項目總工程師教授級高工副組長 5、4 褚文早男 53 專科 項目經理 高級工程師副組長 5 吳碧橋男 32 本科 技術處副主任工程師 副組長 6 申華 男 36 專科 技術部副經理工程師 組員 7 俞紅陽男 35 碩士 技術部副經理高級工程師組員 8 卞國祥男 34 本科 技術部副經理高級工程師組員 9 郭志良男 37 中專 安全部副經理助理工程師組員 10 蔣杰 男 25 本科 技術部資料員助理工程師組員 11 趙榮 男 36 中專 工長 助理工程師組員 12 陳慶 男 23 中專 工長 助理工程師組員 制表：蔣 杰 復核：張立新 日期：2002 年 11 月 5 日 特邀東南大學建筑工程系副主任郭正興教授、清華大學結構工程6、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無此先例，本公司在此方面無施工經驗，并且無類似工程可以借鑒。傳統滿堂腳手架使用存在以下問題：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；40 多米高鋼管自身重量達 300kg，使鋼管腳手架承載減弱 1/41/3，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 18,007、0 噸，扣件 630 萬只，人工、運輸、租賃費用等極其昂貴；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，安全隱患較多；依據建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范（JGJ130-2001）6.4.4“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），但施工現場 14 層層高為 7.5/15m，柱距為 30m，無法按規范 6.1.1 條款中“二步三跨或三步三跨”的規定設置連墻件。（二）課題確定 由此可見，傳統鋼管腳手架無法滿足要求，項目部需創建新型的支撐體系來替代。本次 QC 小組活動的課題為8、：四、設定課題目標（一）目 標 深圳會議展覽中心高空大懸挑結構支撐系統穩定、安全。（二）目標值 1）、施工加荷過程中豎向構件側向變形控制在 5 cm 以內；2）、支撐系統剛度滿足要求，砼澆筑過程中沉陷控制在 2 cm 以內；3）、支撐系統于 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構體系，即可通過鋼結構等專用軟件實現結構的應力、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構工程研究所黃李驥博士以及東南大學郭正興教授等技9、術指導，并擔任本小組顧問；本小組技術力量強干，集我公司以及會議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）、得到工程有限公司、集團有限公司等單位積極參與，實行“強強聯合”。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10、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 采用鋼結構桁架支撐平臺與鋼管排架相結合的辦法。具體施工方案是在0.00 結構或地面上澆筑混凝土基礎，豎鋼結構的型鋼格構柱，于柱頂上沿縱向架設鋼結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，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11、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構。該方案具有：安全可靠，萬無一失；傳力明確，受力合理；施工便捷，實施可行；工廠制作，現場拼焊；定型穩定，工期縮短；型鋼可回收利用，造價低，經濟性好；柱距達 10m，汽車可直接通行，便于大型設備等進場、安裝 經研究分析對比，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22m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12、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，可以大量節省輔助結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：安全性高，隱患較少；節點受力，傳力明確；施工便捷，實施可行；桿件定型，現場拼裝；桿件可反復使用，造價低，經濟性好；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13、的，利用+30.0m 鋼筋混凝土結構樓面拼裝、滑移懸挑式鋼結構桁架梁平臺，但每間隔 60m（縱向每兩跨）均有核心筒影響，并且 EF 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，經測算費用與第 1、2 種方案比較還高，吊裝、拆除均占主體結構施工工期，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：傳力明確，但端部撓度偏大；型鋼用量大，增加造價；跨內設有核心筒、光井，嚴重影響主體結構施工進度；安全隱患多；現場需 30m 樓面結束后進行桁架梁拼焊，嚴重影響工14、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：傳力明確，但須 30m 以上空腹砼柱有強度，才能承載；柱根部抗彎增大，鋼筋用量相應增加；鋼拉索張拉不便檢查；安全隱患多；造價高；桁架梁現場拼焊，嚴重影響工期。因此該方案不能采用。其四種方案優（缺）15、點歸納匯總如下表：方案的分析、評估及選定表 表 2 方案的分析、評估及選定表 表 2 序號序號 支撐體系類型支撐體系類型分析其優（缺）點分析其優（缺）點 方案選擇方案選擇1 格構式鋼 框架結構 支撐體系 安全可靠，萬無一失；傳力明確，受力合理；施工便捷，實施可行；工廠制作，現場拼焊；定型穩定，工期縮短；型鋼可回收利用，造價低，經濟性好。柱距達 10m，汽車可直接通行，便于大型設備等進場、安裝 可采用可采用2 萬能桿件 安全性高，隱患較少；節點受力，傳力明確；不采用不采用組合支撐 體系 施工便捷，實施可行；桿件定型，現場拼裝；桿件可反復使用，造價低，經濟性好。立桿間距 2m，小推車可以進出，但不16、便于大型設備進場 3 懸挑式桁 架梁支撐 體系 傳力明確，但端部撓度偏大；型鋼用量大，增加造價；跨內設有核心筒、光井，嚴重影響主體結構施工進度；安全隱患多；現場需 30m 樓面結束后進行桁架梁拼焊，嚴重影響工期。不采用不采用4 懸挑式鋼 拉索支撐 體系 傳力明確，但須 30m 以上空腹砼柱有強度，才能承載；柱根部抗彎增大，鋼筋用量相應增加；鋼拉索張拉不便檢查；安全隱患多；造價高；桁架梁現場拼焊，影響工期。不采用不采用制表：蔣 杰 復核：徐 鋒 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：即：采用鋼結構桁架支撐平臺與鋼管排17、架相結合的辦法。具體施工方案是在0.00 結構或地面上澆筑混凝土基礎，豎鋼結構的型鋼格構柱，于柱頂上沿縱向架設鋼結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，來解決 45m 的高支模體系。六、問題假想預測 （一）格構式鋼框架結構支撐系統流程圖（如下：）（二）問題假想預測 我們組織小組成員調閱報刊、雜志、互聯網，對有關高支撐方面所發生的質量（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，主要體現在：由18、于設計受力模型不正確，如鉸接按剛性框架設計；材料選用不正確，致使構件自由長度偏長而受力失穩；構造措施不全面，致使架體側向剛度不足而受力失穩；2、基礎承載能力不明確，主要體現在：原土或回填土地耐力不足，構件不均勻沉陷，出現架體失穩；回填土不密實；承載范圍未硬質化，經雨水浸泡，承載力降低；3、操作過程中未按規范以及批準的方案實施，主要體現在：節點連接不滿足要求；構造措施如水平拉桿、剪刀撐不滿足要求；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，結合格構式鋼框架結構支撐的系統流程圖，制定實施對策如下表：對 策 表對 策 表 表 3 序 要求 對策 目標 措施 地點19、 時間 負責人 1 建立應力應變模型進行深化設計 建立應力、應變模型通過不對稱加載分析，進行力學計算、構件驗算等 解決實際施工不對稱加荷垂直度偏差以及自由長度偏大、加強節點剛度，減小應力 1、以清華大學科研所為技術依托，重新運用有限元分析軟件進行深化設計；清華大學土木工程系研究所2003 年 35月 張立新 吳碧橋 俞紅陽 2、增設水平桿及垂直剪刀撐桁架梁；3、在格構柱兩側加大節點板厚度及尺寸。現場 2003 年 47月 徐鋒 卞國祥 蔣杰 2 確保地基承載能力 地基調查、進行驗算，確定是否加固 避免基礎下沉的負面影響 1.現場定位放線，勘察地基，并進行密實度檢測和驗算 2.通過驗算結果確定是20、否加固 現場 2003 年 56月 朱國梁 褚文早 郭志良 3 確保制作以及 拼裝焊接質量 實現制作、安裝全過程控制 確保拼裝焊接質量及多方驗收合格 1.委托專業廠家制作、安裝，2.檢查桿件尺寸 3.檢查搭接焊長度 4.現場檢查垂直度等車間 現場 2003 年 67月 申華 趙榮 陳慶 4 確保支撐體系側向穩定性 檢查連墻件以及水平拉桿、水平、豎向剪刀撐 確保支撐體系整體的穩定性1.樓面連接板預埋的復核、補強 2.檢查、校正水平桿3.檢查、校正水平、現場 2003 年 67月 徐鋒 俞紅陽 蔣杰 豎向剪刀撐 制表：蔣 杰 復核：張立新 日期：2003 年 3 月 說明：+30.0m 平臺以上（21、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，設計部分由張立新、吳碧橋、俞紅陽執行。步驟二：現場連墻桿埋件等措施由徐 鋒、卞國詳、蔣 杰落實實施 實施二：地基調查、地基承載驗算，確定是否進行地基加固，由朱國梁、褚文早、郭志良執行。實施三：實現制作、安裝全過程控制，以提高拼裝、焊接質量，由申 華、趙 榮、陳 慶負責執行。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，由徐 鋒、俞紅22、陽、蔣杰執行。其格構式鋼框架結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、經濟等效益）1、安全方面：通過定期沉降觀測，基礎未出現不均勻沉陷現象，砼澆筑后最大沉陷值為 0.5cm；使用經緯儀定期觀測豎向構件的垂直度，砼澆筑后的鋼框架側向最大變形為 2.5cm；本工程施工階段無發生任何事故。2、進度方面：原計劃 2003 年 7 月 30 日支撐體系結束，實際 4-8 軸于 7 月 12 日提前 18 天；8-16軸于 2003 年 7 月 26 日提前 4 天。（4-8 軸于 8 月 12 日提前 19 天移交鋼結構進行會議中23、心屋面吊裝；8-16軸于 2003 年 8 月 30 日如期移交。）3、穿插（交叉）施工：確保了預應力施工安全防護；由于格構柱柱距達 10m，不占施工通道，風管、扶梯等大型設備及材料可通過汽車直接運到目的地，進行安裝。4、經濟效益：5、社會效益：深圳會議展覽中心鋼筋混凝土主體結構工程獲得深圳市建設局及建筑工務局等主管部門一致好評，我公司得到周邊房地產開發商的青睞，成功地簽訂了中心區的南方國際廣場（25/30 層商住/寫字樓 4 棟，54 層高檔酒店 1 棟，總建筑面積 13 萬平方米，合同價為 1.891 億元）等工程的承建合同。小組活動自我評價小組活動自我評價 十、總結及鞏固措施 我們小組對24、這次 QC 攻關活動認真總結，并參加了揚州市建工系統 QC 小組活動成果發布交流會，榮獲一等獎；并榮獲 2004 年度深圳市建設工程優秀質量管理小組一等獎（第一名）；2004 年江蘇省工程建設優秀QC 小組活動成果一等獎（第一名）。結合三合一體系重新編制體系文件，公司技術質量處將此高支撐體系標準化，納入公司新版作業指導書模板分項（OD-C-5-1）中，并擬在我公司新承建最大住宅項目-紅樹西岸商住樓（17 層懸挑梁）推廣應用。通過本次 QC 小組活動，達到了預期的效果，取得了顯著的經濟效益和社會效益；提高了小組成員的科技創新能力。在裝修工程施工中，我們需進一步加強施工組織協調，加大質檢力度，集思廣益，再度提高，確保第六屆高交會如期在會展中心順利召開，并早日實現工程質量“魯班獎”目標（合同要求）。