建筑結構轉換層設計與施工分析

趙 凱

(深圳市建筑設計研究總院有限公司,廣東深圳 518000)

近些年來,國內外高層建筑發展迅速,上部是住宅、旅館,中部為辦公用房,下部用作商場、餐館等,多功能及綜合性用途的高層建筑己經愈來愈多。樓層建筑功能的改變,往往需要改變豎向結構型式或改變柱網軸線,甚至兩者都改變,這樣,在豎向結構體系發生變化的樓層就要設置轉換層(transfer floor),轉換層也稱為過渡層,近來得到了迅速的發展。目前國內學者對于這類復雜轉換結構的抗震設計研究還比較少,并且大多還局限在多遇地震作用下彈性范圍內的結構分析研究,保證這類復雜轉換結構在罕遇地震作用下“大震不倒”,必須確定結構合理的塑性分布,所以精心地設計和嚴格地施工就顯得尤為重要了。

1 轉換層的類型和功能

按照不同的結構轉換功能,轉換層可分為三類。

(1)高層建筑上層與下層的結構形式不同,通過轉換層完成上層至下層的變化,被稱為結構型式的轉換。這種功能被廣泛應用于框剪結構和剪力墻結構,結構轉換層將上部剪力墻轉換為下部框架,給下部樓層創造一個較大的內部空間。例如,廣東河源金蓬美域,地面以上 10棟塔樓,19層,均為部分框支剪力墻結構,分別為 1層或 2層轉換。

(2)高層建筑上層與下層的結構形式不變,但通過轉換層完成其從上層到下層不同柱網軸線布置的變化,也就是柱網軸線的轉換。通過結構轉換層,使下層形成大柱網,以滿足下層形成較大空間的需要。如佛山國家高新區創新中心會展中心,3層展廳和會議室需大空間,4層以上部分框架柱落在位于 3層的轉換梁,以達到此目的。

(3)通過轉換層同時完成高層建筑上層與下層結構形式與柱網軸線布置的變化。結構型式和軸線布置同時轉換。上部樓層剪力墻通過結構轉換層改變為框架,同時,下部樓層柱網軸線與上部樓層的軸線錯開,形成上、下部結構不對齊的布置。例如,香港 Haibor Road Development大廈,49層,總高度為 180 m。上層為小柱距框筒結構,是通過預應力混凝土大梁的轉換。

2 轉換層的設計要點

轉換梁的跨度為 8.05～9.0m,截面高度 2.5 m,跨高比3.2～3.6,多跨轉換,屬連續短梁。轉換梁截面尺寸一般由剪壓比控制確定 ,其承載力一般也由斜截面受剪承載力控制。混凝土結構設計規范沒有明確給出短梁的斜截面受剪承載力計算公式。根據研究,建議:

(1)轉換梁正截面受彎承載力仍按普通梁計算。

(2)轉換梁斜截面受剪承載力主要由混凝土和箍筋承擔,水平腹筋對斜截面受剪承載力有一定貢獻,約占 11%。因此,可不考慮水平腹筋的作用,將其作為安全儲備,斜截面受剪承載力按下式計算:

式中:λ是計算剪跨比;ft和 fyv分別是混凝土和箍筋的抗拉強度設計值;Asv為配置在同一截面內箍筋各肢的全部截面面積;Sv是箍筋的間距;b、h0分別是轉換梁截面寬度、有效高度。

(3)轉換梁的截面尺寸應滿足下式的要求:

式中:Vmax是轉換梁支座截面最大剪力組合設計值;γRE是承載力抗震調整系數;fc是混凝土軸心抗壓強度設計值。另外,考慮到轉換梁在結構中的重要性,在正常使用階段,一般不允許出現斜裂縫,建議在荷載短期效應組合下,應滿足:

式中:Vs為按荷載短期效應組合計算的最大剪力值。轉換梁截面尺寸一般較大,沿梁高還應配置適量的水平腹筋,一方面可以抑制斜裂縫的開展,抵抗溫度應力和混凝土收縮應力;另一方面也可以提供一定的受剪、受彎承載力,作為構件的安全儲備。

3 轉換層施工的重點和難點

模板支撐系統、鋼筋的連接與綁扎、混凝土澆筑及裂縫控制都是轉換層施工的重點和難點。

(1)因轉換梁截而尺寸大,轉換層的混凝土與鋼筋自重以及施工荷載非常大,因此如何確定轉換層梁板模板的支撐系統是轉換層施工的重點之一,必須保證支撐系統的承載力和整體穩定性。

(2)轉換梁的配筋量大,主筋長,布置密,在梁柱節點區鋼筋更是縱橫交錯。因此,如何正確地翻樣和下料,保證鋼筋位置和數量的正確是鋼筋施工的關鍵。

(3)轉換梁的截面較大,梁柱節點的核心區鋼筋縱橫交錯,鋼筋間距小,混凝土自由下落困難,且易產生溫度及收縮裂縫。因此,如何保證混凝土順利澆筑和防止裂縫的產生是保證混凝土施上質量的關鍵。

4 轉換層施工要點

4.1 大體積混凝土和鋼筋密集部位混凝土的澆搗要點

(1)轉換層的梁、柱鋼筋分布密集,且為大體積混凝土,對混凝土的施工要求特別高。為了提高混凝土的流動性,便于高密度鋼筋混凝土的澆搗,同時控制混凝土水泥用量、降低水化熱,采用摻合料,而且最好使用細石混凝土,并選用細度模數在 2.5以上的中砂。嚴格控制好攪拌時間,保證混凝土的施工質量。

(2)對于混凝土柱的澆搗,由于轉換層結構均為大截面梁,其面筋一般應錨入柱內至梁底以下,所以梁底以下的柱混凝土不能一次性澆搗至梁底,必須分兩次:第一次在梁鋼筋未安裝前澆搗至梁底以下的梁面筋錨入深度的位置;第二次澆搗應在梁鋼筋驗收完畢且第一次混凝土強度達到設計強度的 70%以上時澆搗。所以,第一次澆搗難度較大,必須在梁側模板和柱頭模板安裝前進行。澆搗方法從柱頭四角側面鋼筋較疏的位置下料和振搗,以保證混凝土的澆搗質量,確?；炷恋拿軐?。

(3)對于大截面梁的澆搗,應考慮到梁、柱頭位置的鋼筋特別密集、混凝土澆搗難度較大、澆搗速度慢等情況。若梁板同時澆搗可能導致混凝土施工的時間超過混凝土的初凝時間,而且梁下部的混凝土澆搗質量難以保證。高大截面梁的混凝土也應分兩次澆搗才能保證施工質量。

4.2 模板工程施工要點

(1)梁、板的模板安裝,為保證大截面梁模板的剛度和強度符合要求,梁下支撐的門式架間距必須按實際受力情況進行計算后確定,并采用 48鋼管作水平拉桿及剪力撐此外,梁底的承重木枋必須采用經過挑選的完好木枋。截面較高的梁,側模安裝應在梁中部加螺栓,其間距及排距必須經計算確定,再用 48鋼管作側模的水平杠,做法與剪力墻基本相同。這樣才能保證大截面梁的模板安裝質量。

(2)樓板的模板安裝也采用門式架支撐,用 48鋼管作水平拉桿,并與梁的水平拉桿連接,使整層的模板形成牢固的整體,保證模板的穩定性。

(3)梁模板支撐的變形控制。由于大跨度梁模板支撐受力后可能會產生壓縮變形,而造成混凝土結構變形,為保證梁截面尺寸準確,在梁底模安裝時,必須嚴格按施工規范起拱。

4.3 鋼筋工程施工要點

(1)鋼筋抽料應嚴格按施工圖及規范的要求計算。柱梁節點處鋼筋密集、交錯的部位必須先給出鋼筋布置圖后再嚴格按規范設置。鋼筋下料前必須嚴格對鋼筋抽料表進行復核。

(2)超密集部位的鋼筋施工,應在施工現場先放樣后進行安裝,做到合理安排鋼筋就位次序。為保證保護層厚度,采用堅硬的花崗巖石板碎塊作墊塊,間距 1.0 m,統一墊在箍筋下,且在梁骨架就位前放置。

(3)由于轉換層的梁截面一般較大,鋼筋特別密集,鋼筋自重很大,所以梁鋼筋安裝必須在梁底模板安裝后進行,梁的側模應在鋼筋安裝完畢并經驗收合格后才安裝。

5 結束語

轉換層結構要承受上面各層的全部荷載,因此施工過程中必須嚴格控制好施工質量。有切實的質量保證措施,精心施工,才能避免出現質量問題。

[1]唐興榮.高層建筑轉換層結構設計與施工[M].北京:中國建筑工業出版社,2002

[2]朱伯龍.結構抗震試驗[M].北京:地震出版社,1989

[3]姚振綱,劉祖華.建筑結構試驗[M].上海:同濟大學出版社,2000