大型綜合體勁性轉換結構節點深化設計及應用

耿 濤 趙 健

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

現代高層建筑向多功能和綜合用途發展，在同一豎直線上，頂部樓層布置住宅、旅館，中部樓層作辦公用房，下部樓層作商店、餐館和文化娛樂設施。這就要求建筑上部開間較小、墻體較密的空間格局；中部辦公用房需要小的和中等大小的室內空間；下部公用部分則希望有盡可能大的自由靈活空間，柱網要大、墻盡量少。這種要求與結構的合理、自然布置正好相反。因此，建筑裙房部分的結構往往因為功能上大跨度、大空間的布局要求或者場地條件的制約，上部豎向構件不能直接連續貫通地向下傳遞，所以需要通過水平轉換結構將上部豎向構件所受荷載間接傳遞給下部的豎向構件。其中，轉換梁是一種最為常見的水平轉換結構[1-3]。

而在大中型項目中，由于建筑體量大、荷載工況復雜、安全系數較高，為保證結構構件的剛度與強度以及位移形變的需求，轉換梁與下部豎向構件內通常會設置型鋼骨，從而構成勁性混凝土結構[2]。勁性結構的節點設計需要深化鋼筋與型鋼骨的連接方式、鋼筋的排布、現場施工工況等一系列因素。而勁性轉換結構型鋼更多、鋼筋關系更為復雜、約束條件更為苛刻，因此勁性轉換結構的深化設計更加困難，工作量更大。

這里我們以徐家匯中心項目為例，分析深化設計過程中遇到的重難點，探討框架體系下勁性轉換結構深化的通用規律。

1 項目概況

徐家匯中心項目位于上海市徐匯區徐家匯商圈核心地帶，是集商業、辦公、餐飲和星級酒店于一體的城市綜合體工程。建筑地上部分主要由T1塔樓、T2塔樓及其附屬酒店裙房組成，其中T1塔樓43層，T2塔樓70層，酒店部分15層、高76.5 m，裙房7層、高56.8 m，建筑主體地下部分共6層，基坑開挖深度超過30 m。

徐家匯中心項目（圖1）體量龐大，功能多樣，空間復雜，其中包含多種勁性轉換結構設計，為我們提供了豐富的案例。

圖1 徐家匯中心建筑效果圖

1.1 常規轉換梁

常規轉換梁位于項目東側裙房4-4區和4-13區交界處的3層。此處2層及以下為室外通道，3層及以上為裙房室內部分，為滿足下層大空間的要求，3層處設置了3組大跨度轉換梁，跨度最大可達22 m。3組轉換梁梁高均為2 m，梁內居中設置H型鋼。兩端轉換柱均不在轉換層收頭，柱內居中設置十字型鋼，轉換柱內居中布置H型鋼，平面內梁與柱之間呈不規則斜交。

1.2 折梁轉換梁

折梁轉換梁位于項目西南角4-3區酒店部分的4層。此處3—4層柱網發生改變，建筑外墻向里收縮，同時由于建筑空間功能的需要，室內外有一定的高差，設計沿軸網布置了4組折梁轉換梁。4組折梁轉換梁型號一致，梁跨度約18 m、高2.5 m，中間豎向偏折440 mm。梁內居中布置H型鋼，型鋼隨梁偏折同樣高度。室外區域轉換柱在轉換層收頭，室內區域不收頭但變截面。轉換柱內均居中布置H型鋼，梁上柱內無型鋼。梁柱均正交相連。

1.3 鋼連橋支座

鋼連橋位于項目西裙房2層的西北側，東西方向布置，橫跨宜山路，連接2個地塊，跨度40 m左右。鋼連橋支座處為鋼牛腿，鋼牛腿與型鋼柱（梁）之間進行有效的連接，形成剛性節點，以滿足鋼連橋支座處的受力及變形要求。此處型鋼梁柱節點受力復雜，同時要考慮牛腿型鋼的連接，故節點中采用了比較多的鋼筋接駁器及連接鋼板。

2 勁性轉換結構深化設計關鍵點解析

2.1 梁上部鋼筋的兩點控制到三點控制

在常規勁性節點深化時，梁縱筋的分布定位首先需要滿足自身的配筋邊距與間距；然后須考慮梁縱筋與柱型鋼的連接方式，如若采用套筒連接，須保證套筒間距與邊距；最后參考梁縱筋與柱縱筋的碰撞關系，在滿足前2條要求的情況下微調梁縱筋或柱縱筋的位置。因此，在進行常規勁性節點深化時，梁縱筋的排列取決于兩端柱的型鋼尺寸與縱筋分布，體現為兩點控制。

而在勁性轉換結構節點中，梁上柱的鋼骨打斷了梁上表面部分縱筋的連續性，被打斷的縱筋需要考慮與梁上柱型鋼連接的位置與方式；同時梁上柱的縱筋亦會影響梁縱筋的排布[3]。因此，在勁性轉換梁的深化過程中，梁上部縱筋的排列不僅要考慮兩端的轉換柱，同時也要考慮梁上柱的型鋼與縱筋，體現為三點控制（梁下部縱筋依舊為兩點控制）。兩點控制與三點控制如圖2所示。

圖2 兩點控制與三點控制示意

為解決這一問題，在進行梁上部鋼筋縱向排布時，應該進行統籌考慮。首先以梁平面圖為中心，同時布置轉換柱、梁上柱3個節點處的轉換梁縱筋的分布，在滿足鋼筋自身間距與邊距的前提下，將縱筋分為兩類，一種是被梁上柱鋼骨打斷的縱筋，另一種是在梁上柱鋼骨外側沒有被打斷的縱筋。外側沒有被打斷的鋼筋遵循兩點控制的設計原則，注意與兩端轉換柱鋼骨的連接方式以及與柱縱筋的碰撞關系即可。而被梁上柱鋼骨打斷的梁縱筋則可以分為2段，各自與梁上柱、轉換柱遵循兩端控制的原則完成排布。同時被分割的2段縱筋與梁上柱鋼骨連接的位置應互相對稱，確?？v筋的傳力功能不受影響（圖3）。

圖3 梁上表面縱筋分類

2.2 轉換柱縱筋的傳力與收頭

常規勁性節點的設計內容以梁縱筋與柱型鋼的連接方式為主，基本不需要考慮柱縱筋的連接方式，而在勁性轉換結構節點中，柱縱筋以及柱型鋼的處理也都會影響整個節點的深化設計。我們針對不同種類、不同形式的柱節點工況，探討各種情況下柱縱筋及型鋼的處理方式[1]。

在節點處不存在橫向型鋼時，柱的縱筋往往只會存在一些鋼筋碰撞問題，縱向上依舊是連續的且滿足構件受力要求。而在勁性轉換結構中，轉換梁內通常存在橫向梁型鋼，梁型鋼與柱型鋼連接勢必會打斷此區域的柱縱筋，破壞鋼筋的連續性。因此，為了保證豎向構件中力的傳遞，須將上下斷開的鋼筋用套筒與型鋼梁連接，套筒間距與邊距滿足加工要求。同時型鋼內部對應位置亦須布置厚度不小于鋼筋直徑的加勁板，實現“鋼筋—加勁板—鋼筋”的傳力模式。這種連接方式主要針對在轉換層不收頭的轉換柱，確保其豎向傳力構件的連續。

當轉換柱在轉換層收頭時，柱型鋼頂應與梁上翼緣平齊，柱縱筋也需要做好收頭處理。此時柱縱筋被分為2種，一種在梁型鋼覆蓋范圍外，另一種在梁型鋼覆蓋范圍內。在覆蓋范圍外的縱筋同普通勁性柱筋一樣，在型鋼頂處向柱中心彎錨收頭，彎錨長度不少于15倍鋼筋直徑；而在型鋼覆蓋范圍內的縱筋則使用套筒與梁型鋼連接完成收頭，套筒間距與邊距需滿足加工要求，型鋼內對應位置布置厚度不小于鋼筋直徑的加勁板。

此處應注意，由于鋼結構加工與現場施工時產生一定的誤差，橫向鋼筋與縱向鋼筋會產生一定的碰撞。在普通勁性節點施工中，由于柱縱筋位置靈活不受限制，鋼筋之間的誤差碰撞可以通過輕微移動柱筋位置來消除。而在勁性轉換結構中，柱縱筋的位置被套筒所固定，無法移動，一旦產生誤差碰撞，會給現場施工帶來很大麻煩。因此，為保證工程質量與施工效率，在勁性轉換結構的設計階段，梁縱筋與柱縱筋之間需額外保留5 mm的誤差間距。

2.3 梁上柱支座設計

通常情況下，勁性柱的型鋼通過錨栓支架與基礎或者樓面連接，根據柱腳的受力情況選擇錨栓支架。但在勁性轉換結構中，梁上柱所處位置下方存在型鋼，無法使用長的錨栓支架，同時為保證結構的整體性，需要考慮柱鋼骨以及柱縱筋與型鋼梁的連接問題。

首先確定柱鋼骨與梁型鋼的連接方式，根據柱鋼骨與梁型鋼上翼緣的關系，分情況討論。如鋼骨截面完全落在梁型鋼翼緣范圍內，則采用雙面焊接的方式連接柱鋼骨與梁型鋼；如柱鋼骨截面部分凸出于梁型鋼翼緣，則先用與梁型鋼翼緣同厚的鋼板對梁型鋼翼緣進行局部補充，再進行焊接，補充部位的加勁板亦延長至補充鋼板的外邊緣。

其次需要考慮梁上柱縱筋的連接方式。柱縱筋可分為兩類：一類落在梁型鋼翼緣范圍外，只需伸至梁底向柱中心彎錨至15倍鋼筋直徑即可；另一類落在梁型鋼翼緣內，通過套筒與梁型鋼連結，套筒在滿足間距與邊距尺寸的前提下，需避讓梁上表面縱筋及套筒。落在梁型鋼翼緣邊界的柱縱筋需通過調整至適當位置將其歸為前兩類。

最后需要考慮加勁板的布置。在轉換梁型鋼內，為防止梁型鋼上翼緣局部受力變形，柱鋼骨截面處以及套筒位置需布置加勁板，加勁板厚度不小于柱型鋼所用鋼板厚度或套筒所對應鋼筋直徑。當柱鋼骨方向與梁型鋼腹板方向平行時，加勁板垂直于梁型鋼布置，與柱型鋼翼緣板及套筒中心線對齊；當柱鋼骨方向與梁型鋼腹板方向夾角小于30°時，加勁板依然垂直布置，且沿受力部位居中布置，可適當增加加勁板厚度；當轉換柱型鋼與梁型鋼夾角大于30°時，加勁板則沿型鋼柱翼緣、腹板及套筒中心線布置，不必與梁型鋼垂直。

2.4 鋼連橋支座型鋼牛腿節點設計

從平面布置來看，鋼支座所在型鋼牛腿節點周邊又衍生出其他型鋼柱、型鋼梁等勁性節點，從而形成一個較為復雜的多點控制的網絡化節點，在深化設計中需對其進行綜合分析，統籌考慮，依從主次，在確保單個節點有效連接的同時，使整個網絡節點體系傳力途徑清晰，滿足結構受力要求。如圖4所示，節點一兼顧型鋼牛腿、型鋼柱和型鋼梁，也是這個節點群中最復雜、最難的一個，我們先從其入手，再分析次要的節點二、三、四，各個擊破。

圖4 鋼連橋支座綜合節點

從受力體系分析，鋼連橋支座依附于型鋼牛腿，而型鋼牛腿又依托在型鋼柱或者型鋼梁上，該牛腿上部鋼筋混凝土部分受力復雜，應力較為集中，為滿足鋼結構及鋼筋混凝土的整體協同變形要求，設計要求此處梁縱筋要和型鋼骨必須有效連接形成閉環。

型鋼梁上部縱筋彎錨后端部延伸被牛腿鋼骨翼緣打斷，下部縱筋又被型鋼柱翼緣及牛腿打斷，采用套筒或者外伸式套筒和梁縱筋進行連接，在端部形成閉環，以便對最為關鍵的型鋼牛腿混凝土形成更好的受力約束。

3 典型案例解析

4-4區3層3組常規轉大跨轉換梁，所處位置柱網不規則，梁跨度大、體量大，梁與柱斜交角度較大，工況復雜，包含了勁性轉換結構設計中的大多數重難點。我們選擇其中一組轉換梁EP-KL29作為案例，記錄深化設計流程，以及其特定困難的解決方法。

3.1 讀取圖紙信息

首先校對項目提資圖紙，讀取圖紙信息。根據梁柱形式、梁柱尺寸、型鋼尺寸、梁標高、型鋼標高等信息繪制節點平剖面框架。

在這組轉換梁中，梁EP-KL29為方形梁，跨度22 m，截面尺寸為1 200 mm×2 000 mm；梁內居中布置H型鋼骨，尺寸為1 400 mm×700 mm×50 mm×50 mm。兩端轉換柱EP-KZ28、EP-KZ34均為方柱，柱內居中布置十字形型鋼，且皆不在轉換層收頭，型鋼亦隨柱向上延伸。梁上柱EP-KZ80為方柱，居中布置工字形型鋼（圖5）。

圖5 轉換梁配筋信息

3.2 梁縱筋排布與分類

檢查圖紙無誤后，進行梁上部縱筋的初步排布。通過集中標注與原位標注可知梁上表面配筋為15φ40 mm 9/6，在滿足鋼筋邊距的情況下，將第1層9根縱筋均勻排列在梁內，發現中間3根縱筋被梁上柱鋼骨打斷，這3根（現在是6根）采用三點控制的原則分別與轉換柱、梁上柱的柱內型鋼連接；兩側6根縱筋則根據兩點控制的原則，錨入兩端的轉換柱中。第2層6根縱筋正好分布于兩側，連接方式與第1層兩側縱筋相同。而梁下表面配筋為15φ40 mm 9/6，排布方法與常規勁性節點一致。

3.3 柱縱筋排布與套筒定位

柱縱筋及梁型鋼上套筒排布時，轉換柱EP-KZ28、EPKZ34均不為收頭柱，所以其連接處梁型鋼上翼緣與下翼緣皆需布置套筒連接柱縱筋。平面上微調縱筋位置以滿足套筒間距與邊距的要求。對應位置布置厚40 mm加勁板，保證上下φ40 mm縱筋的傳力。

梁上柱EP-KZ80鋼骨完全落在梁型鋼上翼緣范圍內，可以直接與之焊接，無須設置補充鋼板，隨后根據柱配筋表大致排布梁上柱縱筋，平面上微調柱縱筋的位置，一方面使之不落在梁型鋼翼緣邊界，防止柱筋套筒邊距不足，另一方面須避讓梁縱筋，防止因發生碰撞而增加施工難度。確定好套筒位置后須布置加勁板，根據前文提到的原則，EP-KZ80柱鋼骨水平軸線方向與梁型鋼腹板方向斜交，但夾角小于30°，加勁板沿受力部位居中處垂直于梁型鋼布置，選配加勁板厚度適當增加，取50 mm。

3.4 確定梁縱筋的連接方式

梁縱筋與型鋼有2種連接方式：一種是節點板焊接，雙面焊接長度必須大于5倍鋼筋直徑，考慮到施工容錯率，此處φ32 mm鋼筋所需節點板寬度不小于200 mm；另一種是接駁器及套筒連接，套筒之間須滿足一定的間距與邊距，且套筒法線與接觸面法線夾角不得大于30°。同時，勁性節點深化中還有一個隱形的一端套筒原則，即1根鋼筋不能兩端都使用套筒。如果鋼筋兩端都使用套筒與型鋼連接，施工時則需將鋼筋打斷，分別擰入兩端套筒后再從中間搭接，這會導致現場施工工作量增大，工程質量也會下降。

在轉換梁EP-KL29上表面，一共有3排共6根縱筋與型鋼翼緣連接，且皆為一端連接轉換柱型鋼翼緣、另一端連接梁上柱型鋼翼緣，根據“一端套筒”原則，其中至少有一端須采用節點板連接。然而由于梁上柱與轉換柱鋼骨尺寸過大，型鋼翼緣到柱縱筋之間的間距不足200 mm，無法按常規設置節點板。為解決這一問題，我們對此處加勁板加以改進：優化節點板形狀，打斷部分落在型鋼翼緣上的柱縱筋處，并增加節點板的寬度與厚度，充分保證焊接強度；為確保柱縱筋的傳力性能，落在節點板范圍內的柱縱筋與節點板采用套筒連接；節點板與型鋼翼緣之間設置加勁板，加勁板與套筒位置對齊，實現“鋼筋—節點板加勁板—型鋼加勁板—鋼筋”的傳力模式。改進過的加勁板既滿足橫向梁縱筋的“一端套筒”原則，也保證了豎直方向柱縱筋的受力性能。

3.5 構件微調、完成圖紙

出圖前，需要檢驗3個節點中所有套筒的間距與邊距，同時確保橫、縱2個方向的鋼筋無碰撞且預留5 mm的誤差間距。此階段需統籌協調轉換柱、梁上柱的縱筋與轉換梁縱筋之間關系，反復調整鋼筋排布，最終確定套筒、節點板、加勁板的位置。最后標注出套筒、節點板、加勁板等構件的數量、尺寸與定位，備注好圖紙的其他相關信息，對復雜部位（如改良加勁板）作詳細說明或獨立詳圖等。

4 結語

本文根據徐家匯中心項目勁性轉換結構深化過程中積累的經驗，并與常規勁性節點的深化進行對比，匯總了勁性轉換結構深化設計中遇到的常見問題、難點，歸納總結出一系列的深化原則與技術措施。以梁縱筋為核心、三點控制、一端套筒等一系列原則不僅為今后的深化設計供了切實可行的借鑒方法，同時也充分考慮了施工的可行性與便利性，為項目中勁性轉換結構的工程質量與工程進度提供了保障。在今后的設計過程中，隨著案例增多，對勁性轉換結構也會有新的認知，屆時也會在目前的研究基礎上引申與補充。同時也希望本文能起到拋磚引玉的作用，促進工程項目各單位對勁性轉換結構深化設計的交流。