不规则异角多边斜柱施工技术的研究与应用（1）

1 项目概况

由甘肃第三建设集团有限公司承建的世行贷款甘肃丝绸之路经济带文化传承与创新项目马家窑文化研究展示中心建设房屋建筑工程建设项目，该建筑形式灵感来源于马家窑陶瓷制作过程中盘泥筑器的重要环节（盘泥筑器是指一种利用泥条盘成器形的制陶方法，为马家窑文化彩陶制作的特色技艺之一）。为此，其整体建筑设计是以C字形平面布局，模拟了泥条盘成器形时逐层递增、逐圈收缩的过程，这也导致结构设计需在大量不规则混凝土构件的基础上，来呈现其独有的美感。

图1 马家窑文化展示中心BIM模型

依托马家窑文化展示中心项目，研发一套可以周转使用且能满足不同阳角、不同斜率、不同截面尺寸的混凝土斜（竖）向构件模板工程的施工工艺，用来消除施工现场质量缺陷、提高生产效率、降低安全隐患、减少施工成本的投入。

2 施工难点

2.1 构件精准定位

不规则异角多边斜柱较常规矩形柱相比，在进行 x 、 y 方向的平面定位后，将构件垂直度调校变为角度定位。斜柱模板在自身重力作用下，极易出现与支撑基础面滑移、斜柱倾斜角度偏差较大的情况，施工过程需要反复校调。

2.2 模板支撑体系

在国内外房屋建筑工程中，不规则斜柱传统模板支撑做法通常为搭设满堂脚手架控制构件位置、角度并承担构件混凝土自重与浇筑过程的施工荷载，并采用竹、木、铝合金模板组合方木或槽钢作为构件浇筑模板，最后使用双钢管固定保证模板支撑体系刚度，构件倾角无可靠复核技术，构件放样精度、施工质量均无法保障。

铝合金定型模板支撑体系与方圆扣，方圆扣仅能用在矩形竖向构件中，不规则斜柱各截面夹角不一定为90°，也不一定为四边形，方圆扣基本无法受用。再因通常每个单体工程不规则斜柱数量并不是占有多数，采用铝合金定型模板支撑体系基本无通用性可言，周转效率极低，增加了工程的施工成本。

2.3 构件混凝土浇筑

马家窑文化展示中心个别混凝土柱截面超过0.16m ² ，且斜率小于1.73，常规振捣棒、平板振动器已不能完全将混凝土构件振捣密实；又因混凝土模板存在一定倾角，振捣过程产生的气泡无法从模板内垂直排出，集聚在混凝土表面，导致混凝土构件蜂窝麻面，造成质量缺陷。

3 工艺设计

3.1 设计方案

结合现场实际情况，不规则斜柱模板工程施工工艺基于内、外双排地脚栓钉、可调角度角撑、组合式型钢柱箍、红外线游标尺等，形成一套以撑拉结合为核心的三角形且免满堂架的稳定支撑体系。

3.2 主要材料分析

工艺设计方案中，关键技术核心为组合式柱箍，适用于各类不规则斜柱的模板支撑体系，以钢管、方钢、工字钢、C形钢、槽钢、角钢为主材，从安全性（包括主材截面惯性矩、截面抵抗矩、抗弯强度与挠度）、经济性（包括材料购置费或租赁费及损耗）、可操性（包括安装工时、拆除工时）3个方面，通过施工现场1200mm×1200mm、斜率为1.73矩形混凝土柱进行同条件试验，试验结果如图2 所示。 试验结论： 槽钢作为组合式型钢柱箍主要材料，最终以14分为综合安全性、经济性、可操性最优 材料。

图2 组合式柱箍主材试验结果

3.3 工艺仿真模拟验算

不规则斜柱模板工程施工工艺中，组合式型钢柱箍为最重要受理构件，其包含的材料与型号见表1。

表1 不规则斜柱模板工程施工工艺主要材料

采用CatiaV5建模软件按照各构件的实际尺寸与组合方法进行精细建模，约束各部件之间的相互作用如图3所示。

图3 组合式型钢柱箍单边模型

将建立好的模型导入ABAQUS仿真模拟软件中，在组合式型钢柱箍整体与各部件连接节点处，模拟施工现场最不利施工条件与工况进行有限元分析，在60kN/m ² 混凝土侧压力下的应力分布与变形情况，如图4~图7所示。

图4 模型整体网格划分

图5 转换件与连接件内部应力分布云图

图6 型钢柱箍与连接板内部应力分布云图

图7 角栓与连接件内部应力分布云图

最后采用PKPM软件进行验算，对组合式型钢柱箍整体进行强度和挠度验算。

验算结论：若柱尺寸小于1000mm时，组合式型钢柱箍最大间距可达600mm。

3.4 工艺稳定性试验

不规则异角多边斜柱模板支撑体系稳定性试验采用ZBL–D100智能数据采集仪、传感器以及配套软件进行。

在试验场地完成模板支撑体系面板、龙骨以及组合式型钢柱整体组拼后，在组合式型钢柱中部、角栓安装位移传感器、数字压力计、数字位移计，如图8所示；在斜撑件钢管与斜拉件钢丝绳中部安装倾角传感器安装扣件与数字倾角计，如图9所示。  

图8 位移传感器

图9 倾角传感器

各传感器安装完毕后，进行仿真模拟验算，在模板内部浇筑混凝土施加侧向压力，采集仪以1Hz的频率工作，分别采集施压过程中，组合式型钢柱箍位移、斜撑件钢管和斜拉件钢丝绳倾角的参数变化。在监测软件形成的最终报告中，60kN/m ² 混凝土侧向压力作用下，组合式型钢柱箍水平位移6mm，斜撑件钢管弯曲17mm，斜拉件钢丝绳无变化；拆模后混凝土构件截面偏差2mm、倾角偏差9″，均满足现行国家标准、规范及规程的允许偏差。