高層建筑板式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)施工

摘 要：高層建筑的發(fā)展，為施工技術(shù)的進(jìn)步提供了廣闊的天地，而施工技術(shù)的進(jìn)步，又是確保高層建筑能夠順利發(fā)展的重要條件，由于轉(zhuǎn)換層形式多樣，施工方法也千差萬別，但統(tǒng)計(jì)表明，板式轉(zhuǎn)換層占所有轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的50%以上，所以本文重點(diǎn)對板式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行研究，并在板式轉(zhuǎn)換層施工方案決策問題和模型確立的基礎(chǔ)上提出了施工要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高層建筑；板式轉(zhuǎn)換層；施工

1 高層建筑轉(zhuǎn)換層的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀

中國目前的鋼筋混凝土高層建筑一般在二十至五十層之間，其中尤以二十至三十五層居多。中國國內(nèi)己建成的這個(gè)高度范圍內(nèi)的高層建筑占全部高層鋼筋混凝土建筑的80%左右，可見這個(gè)高度范圍內(nèi)的高層建筑是與中國城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和需求水平相適應(yīng)的，因而應(yīng)用最多。在建筑功能的要求上，高層建筑中很少是功能單一的住宅、寫字樓或賓館，高層鋼筋混凝土建筑多是地下部分是停車場，地上1-7層左右為商場、娛樂場所等，上部小開間的使用部分可以設(shè)置住宅、賓館、或辦公室。有統(tǒng)計(jì)表明，高層建筑中有轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的占80%左右。帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑轉(zhuǎn)換層部分，由于梁、柱或板的尺寸較大，所以從模板的支撐系統(tǒng)，鋼筋的綁扎、鋼析架的安裝或預(yù)應(yīng)力的張拉順序，大體積混凝土的澆注等方面在施工技術(shù)要求上都有極為嚴(yán)格的限制。在某種程度上可以說，轉(zhuǎn)換層施工是高層建筑的“瓶頸”，如果說一幢高層建筑在支撐系統(tǒng)選擇，鋼筋綁扎，混凝土澆注，預(yù)應(yīng)力張拉，機(jī)械設(shè)備的選擇等方面做到方案科學(xué)，現(xiàn)場施工組織合理，定會(huì)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 高層建筑板式轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)技術(shù)

轉(zhuǎn)換板設(shè)置位置，是人們關(guān)心的板式轉(zhuǎn)換框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的重要問題之一。隨著人們對梁式轉(zhuǎn)換框支剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層位置設(shè)置較高時(shí)，轉(zhuǎn)換層對結(jié)構(gòu)抗震性能不利的認(rèn)識，從而提出了轉(zhuǎn)換層位置較高的框支剪力墻的抗震設(shè)計(jì)概念，并且限制轉(zhuǎn)換層下大空間結(jié)構(gòu)的層數(shù)。然而，板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)隨著轉(zhuǎn)換層位置的提高，結(jié)構(gòu)是否也表現(xiàn)出同樣的動(dòng)力特性及反應(yīng)，也是值得討論的。本文結(jié)合廈門安寶大廈工程，采用三種模型來計(jì)算和分析板式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層位置對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。計(jì)算模型中，轉(zhuǎn)換層、標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。圖中黑色填充區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)換層下部框支柱和落地剪力墻；實(shí)線部位為轉(zhuǎn)換板上布置的剪力墻。轉(zhuǎn)換板厚2200mm；落地剪力墻厚度為400mm；框支柱截面為1200mm×1200mm和1000mm×1000mm兩種；標(biāo)準(zhǔn)層x向剪力墻厚為250mm，y向剪力墻厚為200mm。轉(zhuǎn)換板所在的上、下樓層的層高分別為2.2m、3.6m(凈高，不含轉(zhuǎn)換板厚)，結(jié)構(gòu)總高度為98.70m。三種模型分別為：

Hst0——無轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，以原工程轉(zhuǎn)換板上部結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，增加結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層，使其高度與原結(jié)構(gòu)相同；

Hst3——轉(zhuǎn)換板設(shè)置在第3層頂，并將原工程x向井筒開洞，轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比γex =0.7046，γey=0.8971。

Hst6——轉(zhuǎn)換板設(shè)置在第6層頂，將模型Hst3的第1層復(fù)制增加三層，使其高度與原結(jié)構(gòu)相同，同時(shí)，其轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)等效側(cè)向剛度比也與模型Hst3接近。結(jié)構(gòu)計(jì)算分析采用ANSYS軟件。

圖1 計(jì)算機(jī)模型結(jié)構(gòu)布置

圖板式轉(zhuǎn)換最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在轉(zhuǎn)換層以上隨意布置結(jié)構(gòu)型式和軸網(wǎng)，特別適用于建筑物上下部軸網(wǎng)錯(cuò)位復(fù)雜甚至互不正交的情況。但轉(zhuǎn)換板傳力路徑不清晰，受力狀態(tài)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)分析計(jì)算繁冗。由于抗剪和抗沖切的需要，轉(zhuǎn)換板厚一般在2M以上，這一方面造成轉(zhuǎn)換層質(zhì)量和剛度的突變，在地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)反應(yīng)增大，轉(zhuǎn)換層上下相鄰層更成為結(jié)構(gòu)薄弱層，不利于建筑物抗震；另一方面由于自重和地震作用的增加，下部豎向構(gòu)件的荷載明顯增大，設(shè)計(jì)難度大。研究表明，轉(zhuǎn)換厚板的內(nèi)力和位移分布嚴(yán)重不均，最大值與最小值間相差可達(dá)幾十倍。從整體上看，板式轉(zhuǎn)換的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均較差，在實(shí)際工程中應(yīng)慎用。當(dāng)上下軸網(wǎng)變化但仍正交時(shí)，可采用正交主次轉(zhuǎn)換梁的結(jié)構(gòu)型式來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

3 板式轉(zhuǎn)換層施工方案決策問題和模型的確立

3.1 板式轉(zhuǎn)換層施工方案決策問題

最常用模板支撐方式有上面談到的三種方法，①落地支撐法②疊合梁原理法③吊模法。那么對于一個(gè)含有轉(zhuǎn)換層的施工項(xiàng)目而言，如何選用更優(yōu)的施工方案，如何安全可靠、質(zhì)量優(yōu)良、工期準(zhǔn)時(shí)、技術(shù)方便、簡單可行、工程造價(jià)成本又比較低的情況下完成轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的施工，是項(xiàng)目承建者的所追求的目標(biāo)，所以在遇到此類問題時(shí)，經(jīng)常存在如何決策方案才比較科學(xué)的問題。由于方案的優(yōu)劣是一個(gè)相對的概念，并且施工方案的選擇還受很多外部因素的影響。對于轉(zhuǎn)換層施工來說，如果轉(zhuǎn)換層所在位置較低，距離基礎(chǔ)在四層以內(nèi)的話，落地支撐法將是最為理想的選擇；對于大于四層以上的情況，以上三種施工方法哪個(gè)方案最優(yōu)，決策者如何進(jìn)行決策。

3.2 轉(zhuǎn)換層施工方案決策模型的建立

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP法)是美國運(yùn)籌學(xué)家沙旦(T. L. Saaty)于上世紀(jì)70年代提出的，是一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法。特別是將決策者的經(jīng)驗(yàn)判斷給予量化，對目標(biāo)(因素)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)情況下更為實(shí)用，所以近幾年來此法在我國工程實(shí)踐的方案決策中得到了廣泛應(yīng)用。層次分析法的基本內(nèi)容是：首先根據(jù)問題的性質(zhì)和要求，提出一個(gè)總的目標(biāo)；然后將問題按層次分解，對同一層次內(nèi)的諸因素通過兩兩比較的方法確定出相對于上一層目標(biāo)各自的權(quán)系數(shù)。這樣層層分析下去，直到最后一層，即可給出所有因素(或方案)相對于總目標(biāo)而言按重要性(或偏好)程度的一個(gè)排序。

4 高層建筑板式轉(zhuǎn)換層的施工要點(diǎn)

由于板式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的上述特點(diǎn)，在確定轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)施工方案時(shí)應(yīng)考慮下列幾個(gè)方面的問題：①轉(zhuǎn)換層的自重和施工荷載往往非常大，應(yīng)選擇合理的模板支撐方案，并進(jìn)行模板支撐體系的設(shè)計(jì)。②對大體積轉(zhuǎn)換層，混凝土施工時(shí)應(yīng)考慮采取減小混凝土水化熱的措施，防止新澆混凝土的溫度裂縫。③轉(zhuǎn)換層的跨度和承受的荷載很大，其配筋較多，而且鋼筋骨架的高度較高，施工時(shí)應(yīng)采取措施保證鋼筋骨架的穩(wěn)定和便于鋼筋的布置。④對預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換層，由于其跨度和承受的荷載都很大，預(yù)應(yīng)力鋼筋數(shù)量大，因此，要合理選擇預(yù)應(yīng)力的張拉技術(shù)以防止張拉階段預(yù)拉區(qū)開裂或反拱過大。⑤設(shè)置模板支撐系統(tǒng)后，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)施工階段的受力狀態(tài)與使用階段是不同的，應(yīng)對轉(zhuǎn)換梁(或轉(zhuǎn)換厚度)及其下部樓層的樓板進(jìn)行施工階段的承載力驗(yàn)算。

(1)混凝土工程。在進(jìn)行大跨度超高度轉(zhuǎn)換梁及轉(zhuǎn)換厚板的混凝土施工時(shí)，應(yīng)采取措施防止新澆混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。目前實(shí)際工程中采取的措施有：

①根據(jù)混凝土的配合比和預(yù)計(jì)的施工氣候及現(xiàn)場條件，采用大體積混凝土結(jié)構(gòu)三維有限元溫度分析程序(3D TFEP)，對大跨度超高度轉(zhuǎn)換梁及轉(zhuǎn)換厚板整個(gè)過程中的溫度狀況進(jìn)行模擬計(jì)算，掌握混凝土在澆筑后一個(gè)月內(nèi)的各部分溫度的變化規(guī)律，為大跨度超高度轉(zhuǎn)換梁及轉(zhuǎn)換厚板的施工提供科學(xué)的預(yù)測分析和依據(jù)。

②大體積混凝土轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)采取措施控制混凝土內(nèi)部與混凝土表面溫度差小于15℃，實(shí)際工程中可采用下列方法：a.蓄熱保溫法，即常規(guī)保溫方法?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)要把握兩個(gè)關(guān)鍵，即在升溫階段以保濕為主，在降溫階段以保溫為主。b.內(nèi)降外保法，即在大體積混凝土內(nèi)部循環(huán)埋管通水冷卻降溫，使大體積混凝土水化熱溫升降低，減少混凝土內(nèi)部與混凝土表面的溫差，然后在大體積混凝土轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的表面及其底面采取保濕措施。c.蓄水養(yǎng)護(hù)法，即在混凝土初凝后先灑水養(yǎng)護(hù)2h，隨后進(jìn)行蓄水養(yǎng)護(hù)，蓄水高度一般為100mm。

③澆筑厚大的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)混凝土?xí)r，為防止混凝土內(nèi)外溫差過大和提高混凝土抗拉強(qiáng)度，在選用水泥方面可采取下列措施：a.優(yōu)先選用水化熱低的礦渣硅酸鹽水泥或火山灰硅酸鹽水泥。b.摻用沸石粉代替部分水泥，降低水泥用量，使水化熱相應(yīng)降低。c.摻入減水劑，減少水泥用量，使混凝土緩凝，推遲水化熱峰值的出現(xiàn)，使升溫延長，降低水化熱峰值，使混凝土的表面溫度梯度減少。

④澆筑厚大的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)混凝土?xí)r，為防止混凝土內(nèi)外溫差過大和提高混凝土抗拉強(qiáng)度，在施工方法上可采取下列措施：a.采取先施工轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)周圍結(jié)構(gòu)或墻體，防止混凝土表面散熱過快，內(nèi)外溫差過大。b.變冬季施工的不利因素為有利因素，減低混凝土的入模溫度。在夏季高溫氣候施工時(shí)，采用冰水?dāng)嚢瑁詼p低混凝土的入模溫度。c.采用分層次施工，每層厚300mm～500mm，連續(xù)澆筑，并在每一層混凝土初凝之前，將后一層混凝土澆筑完畢。D.采用疊合梁原理，將轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)按疊合構(gòu)件施工，可緩解大體積混凝土水化熱高，溫度應(yīng)力過大，對控制裂縫發(fā)展有利。

(2)鋼筋工程。轉(zhuǎn)換梁的含鋼量大，主筋長，布置密，在梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋“相聚”。因此，正確地翻樣和下料，合理安排好鋼筋就位次序是鋼筋施工的關(guān)鍵。

①鋼筋翻樣前必須弄清設(shè)計(jì)意圖，審核、熟悉設(shè)計(jì)文件及有關(guān)說明，掌關(guān)規(guī)定。翻樣時(shí)考慮好鋼筋之間的穿插避讓關(guān)系，確定制作尺寸和綁扎次序。

②一般轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)主筋接頭全部采用閃光對焊或錐螺紋接頭連接、冷擠壓套筒連接；對于兩端做彎頭的鋼筋，采用可調(diào)伸螺紋接頭解決鋼筋旋轉(zhuǎn)的困難。

③當(dāng)轉(zhuǎn)換梁高度或轉(zhuǎn)換板厚度較大時(shí)，應(yīng)采取措施保證鋼筋骨架的穩(wěn)定和便于操作。

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