高層建筑轉(zhuǎn)換層施工技術(shù)實證探究

吳 可

(山西辰誠建設(shè)工程有限公司，山西陽泉 045000)

1 概述

近年來由于城市建筑用地寸土寸金，現(xiàn)代建筑越建越高。為了滿足人們的使用需求，以及良好的生活環(huán)境和工作條件的愿望，高層建筑正向體型復(fù)雜、功能多樣的綜合性方向發(fā)展。例如，在同一幢建筑中，上部需要像旅館、居民住宅等小開間的軸線布置;中部需要像辦公室、寫字間等在柱網(wǎng)中布置一定數(shù)量的墻體的中等大小的室內(nèi)空間;下部則要求像商場、餐館、文化娛樂設(shè)施等墻體盡量少、自由靈活的室內(nèi)空間盡可能大的大開間軸線布置。從結(jié)構(gòu)受力上看，這種體型復(fù)雜的高層建筑各部分，因其不同的建筑功能對空間的要求和結(jié)構(gòu)布置不同，必須在結(jié)構(gòu)形式不同的上下部之間設(shè)置一個特殊的樓層，使其能承受上部結(jié)構(gòu)的各種內(nèi)力，并將其可靠的傳遞給下部結(jié)構(gòu)，這種能起到轉(zhuǎn)換作用的樓層，即轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層，既是下部結(jié)構(gòu)的“頂板”，又是上部結(jié)構(gòu)的“基礎(chǔ)”，是一幢高層建筑中不同結(jié)構(gòu)形式相連接的關(guān)鍵點。

2 轉(zhuǎn)換層主要類型及特點

高層建筑轉(zhuǎn)換層，按結(jié)構(gòu)形式分主要有:梁式、桁架式、板式、箱式等。

2．1 梁式轉(zhuǎn)換層

梁式轉(zhuǎn)換層是目前高層建筑中實現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換最常用的形式。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)采用梁式轉(zhuǎn)換層的建筑約占采用轉(zhuǎn)換層的高層建筑總量的77%。其采用墻(柱)→轉(zhuǎn)換梁→(柱)墻的途徑傳力，實際工程轉(zhuǎn)換梁的截面高度為0．8 m～6．0 m，具有傳力路徑清晰快捷、工作可靠、構(gòu)造簡單等特點，便于工程計算、分析和設(shè)計，并且造價較為節(jié)省。

梁式轉(zhuǎn)換層主要受力構(gòu)件——轉(zhuǎn)換梁，形式多樣:從跨數(shù)上，分為單跨、雙跨和多跨;從上部墻體形式上，分為滿跨、不滿跨、開洞、不開洞、開門洞和開窗洞;從功能上，分為拖墻、拖柱;從結(jié)構(gòu)形式上，分為加腋、不加腋;從采用材料上，分為鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼骨混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等。

2．2 桁架式轉(zhuǎn)換層

桁架式采用單層或疊層桁架結(jié)構(gòu)，替代轉(zhuǎn)換梁作為轉(zhuǎn)換層。由于在托柱形式的梁式轉(zhuǎn)換層中，當(dāng)轉(zhuǎn)換梁跨度很大，且承托層數(shù)較多時，由轉(zhuǎn)換梁承托上部框架柱傳遞下來的豎向荷載會很大，致使轉(zhuǎn)換梁的界面尺寸過大。這在設(shè)計理論上可以實現(xiàn)，但實際實施中卻不可行。同時，采用轉(zhuǎn)換梁不利于大型管道等設(shè)備系統(tǒng)的布置和該轉(zhuǎn)換層的建筑空間的充分利用。因此，若根據(jù)上下柱網(wǎng)的軸線位置設(shè)置，采用桁架轉(zhuǎn)換層可巧妙地解決此問題。

2．3 厚板式轉(zhuǎn)換層

當(dāng)轉(zhuǎn)換層上下柱網(wǎng)軸線錯開較多，布置又不規(guī)則，難以用梁直接承托時，則需要設(shè)計成厚板，形成承臺轉(zhuǎn)換層。厚板式轉(zhuǎn)換層的優(yōu)點是上、下部結(jié)構(gòu)布置方便;但其傳力途徑不清楚，計算困難，材料耗用多，自重很大，造價高，施工難度大。因此，施工中主要有兩個難點需要重點處置:1)荷載傳遞效果。因板較厚，實際工程轉(zhuǎn)換層板厚度可達2．0 m～2．8 m，施工時加上施工荷載，下層樓蓋無法直接接受，須采取技術(shù)措施處置荷載的平安傳遞。2)混凝土裂痕控制。因轉(zhuǎn)換層屬于大體積混凝土，易發(fā)生溫度和收縮裂痕，須采取技術(shù)措施予以控制。板內(nèi)必須三向配筋，在柱與柱、柱與墻間設(shè)置加強筋(暗梁)。

2．4 箱式轉(zhuǎn)換層

當(dāng)上下部結(jié)構(gòu)形式需要縱、橫向同時轉(zhuǎn)換時，單向托梁和雙向托梁同上、下層較厚的樓板澆筑成的整體共同作用，就形成了剛度很大的箱形轉(zhuǎn)換層。利用原有上、下樓層和剪力墻，經(jīng)過加強后，改善高層建筑結(jié)構(gòu)的受力性能。箱形梁的結(jié)構(gòu)形式常見在橋梁工程中，但用于房屋結(jié)構(gòu)工程則較少。

3 實例研究

3．1 工程概況

山西宏廈建筑工程第三有限公司承建的馨澤苑10號樓，位于陽泉水泥廠院內(nèi)。一幢26層高層框支剪力墻結(jié)構(gòu)，地下1層為人防工程，地上1層，2層為商場(8．800 m～11．100 m)為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層，3層～26層為住宅，四個單元，一梯兩戶。轉(zhuǎn)換層梁最大截面尺寸 1．000 ×2．300，混凝土強度等級為 C45，8．930 m，11．100 m板厚分別為130 mm，200 mm。上部荷載均通過轉(zhuǎn)換層的轉(zhuǎn)換梁，傳送給若干1．2 m×1．2 m框支柱和剪力墻，再傳遞給1．5 m厚的基礎(chǔ)筏板，最后傳到地基(CFG樁)。這部分結(jié)構(gòu)是整幢樓受力的咽喉部位，對施工提出了相當(dāng)高的要求。

3．2 轉(zhuǎn)換層框架梁施工要求

3．2．1 模板及支撐系統(tǒng)

1)底模板采用木模，梁側(cè)模(1．9 m高)采用60+10系列鋼模。側(cè)模用鋼管作背楞進行加固，穿墻螺栓應(yīng)滿足要求。梁底模板縱向立桿支撐間距不能大于600mm，橫向立桿支撐間距不能大于300mm，并且各支撐間要通過密設(shè)剪刀撐拉設(shè)牢固。框架梁底模板方木應(yīng)加密。

2)8．80 m～11．10 m夾層原設(shè)計未考慮留設(shè)施工洞，設(shè)計變更留設(shè)施工洞口，以方便夾層內(nèi)部模板及其支撐拆除。夾層內(nèi)臨時洞口在支設(shè)9．0 m模板時，即應(yīng)考慮留設(shè)。

3．2．2 鋼筋工程施工

1)框架梁主筋(上鐵)根據(jù)施工規(guī)范要求要錨固至框架柱內(nèi)，因此框架柱施工澆筑前應(yīng)提前將框架梁上鐵綁扎完畢并且放置進入框架柱內(nèi)。

框架梁鋼筋的穩(wěn)定性。由于框架梁高度為2．3 m，高度較高，又是高空作業(yè)，空中拉錨較為困難，計劃采取如下措施對框架梁鋼筋進行高空穩(wěn)定。

2)8．930 m樓板鋼筋上設(shè)鋼筋拉鉤(鋼筋φ16拉鉤應(yīng)使用圓鋼)，拉鉤應(yīng)當(dāng)可靠錨固在樓板內(nèi)，拉鉤數(shù)量位置按照設(shè)計圖示要求設(shè)置。在框架梁上通過拉設(shè)φ9．3鋼絲繩來對框架梁鋼筋進行固定，以避免其歪倒或彎扭，通過鋼架管進行架設(shè)固定。

3)注意樓板鋼筋與梁鋼筋的位置關(guān)系:樓板鋼筋應(yīng)可靠支設(shè)在框架梁主筋上。裙房屋面鋼筋和主樓鋼筋不在一個平面上，而且局部裙房屋面為坡度3%的斜屋面。

4)主框支梁應(yīng)考慮支設(shè)用措施鋼筋;同時施工縫部位考慮留設(shè)Φ25@200插筋，鋼筋長度為600 mm，施工縫上下各留設(shè)一半。鋼筋施工順序為:8．930 m平面主梁主筋→8．930 m平面樓板鋼筋→9．150 m～9．600 m平面梁板鋼筋→11．10 m平面樓板鋼筋。

3．3 轉(zhuǎn)換層梁模板計算

3．3．1 底模驗算

100×100方木按@600 mm，梁凈斷面尺寸按最大尺寸1 000×2 300。

抗彎強度驗算。

1)荷載。

底模自重:5 ×0．075 ×1．0×1．2=0．45 kN/m;

混凝土自重:24×1．0 ×2．3 ×1．2=66．24 kN/m;

鋼筋自重:1．5 ×1．0 ×2．3 ×1．2=4．14 kN/m;

振搗混凝土載荷:2 ×1．0 ×1．2=2．4 kN/m;

合計:q1=73．23 kN/m;乘以折減系數(shù) 0．9，則 q2=q1×0．9=65．91 kN/m。

2)抗彎承載力驗算。

底模下的楞木間距為0．2 m，是一個等跨多跨連續(xù)梁，考慮木材的長度有限，故按四等跨計算。按最不利荷載部位結(jié)構(gòu)靜力表示得:

彎矩系數(shù):Km=－0．121;剪力系數(shù):Kv= －0．620;撓度系數(shù):Kw=0．967。

則M=Km×ql2= －0．121×52．57×(0．2)2= －0．254 4×106N·mm;

δ=M/W= －0．254 4×106×6/(800×402)=1．192 5 N/mm2＜13 N/mm2(其中W=bh2/6)。

3)剪力驗算。

剪應(yīng)力τ=3×8．17×103/(2×1 000×75)=0．16 N/mm2＜fv=1．4 N/mm2(可以)。

4)撓度驗算。

荷載不包括振搗混凝土荷載，則:

ω=Kw×ql4/(100EI)=0．967×63．75×2004/(100×9×103×1 000×753/12)=0．003 12 mm ＜［ω］=l/720=0．278 mm(可以)。

3．3．2 側(cè)板驗算

1)荷載驗算。

假設(shè) T=30 ℃，β1=1．2，β2=1．0，V=2 m/h，則側(cè)壓力:F1=0．22·Rc× γ/t0× β1× β2× V0．5=0．22 ×24 ×200/(30+15)×1．2 ×1．0 ×20．5=39．82 kN/m;F2= γCh=24 ×2．3=55．2 kN/m。

取兩者較小值，即F2=39．82 kN/m;乘以分項系數(shù):39．82×1．2=47．784 kN/m;振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載為4 kN/m2，乘以分項系數(shù):4×1．4=5．6 kN/m2;上兩項系數(shù)合計 47．784+5．6=53．384 kN/m2;根據(jù)立檔間距為600 mm的條件，則乘以折減系數(shù)，荷載為:q=53．384 ×0．6=32．030 4 N/m。

2)抗彎強度驗算。

仍按四等跨計算，其km，kv，kww依照前述，設(shè)側(cè)模為40mm厚，則:m=kmql2= －0．121×32．030 4×6002=139．52×104kN/mm;

δ=M/W=139．52 ×104×6/(600 ×402)=8．72 N/mm2＜pm=13 N/mm2(滿足要求)。

3)抗剪強度驗算。

v=0．620ql=0．620 × 32．030 4 × 600=11 915．308 8 N=11．915 kN;

剪應(yīng)力:

τ=3v/(2bh)=3×11 915/(2×600×40)=0．75 N/mm2＜fv=1．4 N/mm2(可以)。

4)撓度驗算。

取側(cè)壓 f=47．784 N/mm2化為線荷載 47．784 ×0．6=28．67 kN/m;

乘以折減系數(shù)，q=0．9 ×28．67=25．80 kN/m;

w=0．967ql4/(100EI)=0．967 ×25．80 ×6004×12/(100 ×9×103×600×403)=1．123 mm ＜［w］=l/400=600/400=1．5 mm(滿足要求)。

3．3．3 鋼管立柱支撐剛度、穩(wěn)定性驗算(按600 mm驗算)

φ48×3．5碗扣架管，縱向@600mm ＜mailto:縱向@600mm ＞，橫向@300 mm＜mailto:縱向@600 mm＞，間距最大為@600 mm＜mailto:縱向@600 mm＞。上設(shè)U托(質(zhì)量要好)，最下一層掃地桿距地@300 mm＜mailto:縱向@600 mm＞，中間水平拉桿間距為@1 200 mm＜mailto:縱向@600 mm＞，支撐桿有效面積 A=489 mm2(內(nèi) R=41 mm)。

1)抗壓強度驗算。

N=73．23 ×0．6 ×0．3=13．18 kN;

［N］=Af=489×215=105．135 kN=105 kN＞13．18 kN。2)穩(wěn)定性驗算。

δ=N/ФA≤f=215 N/mm2;

λ =l/i=600/31．56，根據(jù)λ查Φ=0．947;

i=(d2+d12)/4(回轉(zhuǎn)半徑)=31．56 mm;

δ=N/ФA=13．18 × 103/0．947 × 489=28．46 N/mm2≤f=215 N/mm2(滿足要求)。

3)U托部位螺栓的破壞。

Ix=π(D4－d4)/64=1．22×105mm;

ix=(Ix/A)×1/2=(1．22×105/489)×1/2=15．79 mm;

λx=1 800/ix=1 800/15．79=114;

查Q235鋼，b類截面軸壓穩(wěn)定系數(shù)φx=0．453;

歐拉臨界應(yīng)力Nex=3．142×2．06 ×105×489/1 142=76．4 N;

初始偏心彎矩:Mx=Ne=1．16×104×25=2．9×105;

截面塑性發(fā)展系數(shù):Rx=1．0;

受壓最大纖維毛截面抵抗。

W1x=Ix/(D/2)=1．22 ×105/(48/2)=5 083．3 mm3;

N/(φx×A)+(βmx×Mx)/［Rx×W1x×(1 －0．8×N/Nex)］=54 274．56 kN/m2=54．3 MPa＜215 MPa(能夠滿足要求)。

4 結(jié)語

高層建筑轉(zhuǎn)換層是建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，由于其樓板厚、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、對支撐系統(tǒng)要求高，施工難度大，影響建筑整體質(zhì)量，所以施工過程中的質(zhì)量控制顯得十分重要。同時，高層建筑轉(zhuǎn)換層施工有多種施工方案，它們都是在實踐中根據(jù)工程的實際情況不斷摸索出來的。在實際應(yīng)用中采用合理的施工方案，既可以提高工程質(zhì)量，同樣也能節(jié)約施工成本。因此，在施工設(shè)計中，只有在科學(xué)計算的基礎(chǔ)上，精心組織，采用合適的轉(zhuǎn)換層類型，并對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)空間關(guān)系、自然環(huán)境條件等，采取有針對性的措施，解決好施工組織安排等問題。規(guī)范施工，做好施工過程中的質(zhì)量控制，才能為建筑物整體質(zhì)量打下堅實的基礎(chǔ)，取得良好的經(jīng)濟效果。

［1］GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．

［2］JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．