高層建筑轉換層結構設計與施工*

毛慧峰

(中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司 太原 030000)

結合我國當前的建筑結構設計情況來看,絕大部分的高層建筑會迎合區域經濟發展以及民生建設需求,上層結構作為住宅或旅館,中部則為辦公區域,底部的空間更為寬闊,通常為餐飲或娛樂場所。這種類型的高層建筑在墻體結構以及空間布局方面,需要考慮不同樓層的受力情況,因此設置轉換層能夠緩解高層建筑受力不均的問題,對于提升建筑安全性和穩定性有一定促進作用,而轉換層本身的設計,也需要關注質量和穩定性方面的問題。

1 高層建筑轉換層的理論概述

由于高層建筑為了迎合不同領域的實際需求,上、中、下選擇了3種不同的設計標準。下部結構大部分為娛樂、休閑、餐飲空間為主,建筑內部的墻體、支撐柱相對較少;中部則為辦公區域,內部空間結構大多數為中等大小,空間劃分規范性較強,需要滿足常規的人員辦公需求以及日常會議需求,相對于下層結構來講,中部結構的支柱結構,以及墻體較為密集;上層結構大部分為民用住宅、快捷酒店、旅館,這種類型的空間,在劃分的過程中考慮了常規住宅的設計需求,墻體和支柱較為密集,在空間劃分方面靈活性較強[1]。

以上這種控件設計方案,在當前絕大部分高層綜合性建筑中應用得較為廣泛,但也導致了不同的空間結構受力情況、承重能力有較大差異,為了進一步滿足整體建筑為轉換層,來緩解其中受力不均導致的各項問題。轉換層結構的設計與常規的建筑結構設計有較大差異,首先轉換層需要承受上下結構的集中荷載,上層結構給予的豎向荷載以及下層結構的多層荷載,會直接集中在轉換層結構上。因此該結構自身的穩定性、剛度必須滿足實際要求[2];其次,轉換層結構跨度通常較大,這就要求內部構件要有較強的撓度;再次,轉換層結構的功能性較為復雜,在施工的過程中往往會存在較多難題,因此進行施工期間的細節把控是轉換層結構設計的重中之重。

2 高層建筑轉換層設計形式分析

隨著我國社會發展水平的逐步提升,綜合性高層建筑的數量也在不斷增加,不同的建筑工程,在設計的過程中要滿足不同需求,轉換層結構,自身的設計也在應需求不斷進行調整,因此出現了多種類型的轉換層結構形式,也能夠起到不同的應用效果。

2.1 箱式形式

箱式形式是當前較為普遍的建筑結構,施工難度較低,在高層建筑轉換層施工中有著較為明顯的應用優勢。同時該種類型的轉換層可以與建筑的整體規劃融為一體,不僅可以提升空間優化的質量,還能夠滿足常規的承載力設計需求,保證建筑工程的整體質量符合標準。但是該種類型的轉換層在設計的過程中需要投入更多資金,與承建單位本身的實力以及建筑工程后續的經濟效益有一定關聯[3]。

2.2 梁式形式

梁式轉換層但結構較為簡單,前期預算成本較低,對于當前絕大部分的高層建筑都有適配性。在施工過程中難度較低,能夠提升施工效率,也可以維持原有的施工進度控制計劃。但是該種類型的轉換層很難承受更大的承載力,對于高層建筑的層數有一定要求,若上部結構的承重力較高,不宜采取梁式轉換層。

2.3 桁架式形式

桁架轉換層能夠將高層建筑的各個功能區進行連接,該種類型的轉換層具備更強的整體性以及系統性,這是在高層建筑中應用的核心優勢,能夠降低附屬性設施施工的難度,比如為管道施工提供更加便捷的系統;抗震能力較強,在長期使用之后,依舊可以維持著較好的效果,后期不需要花費更多的時間和精力進行維護[4]。但設計難度較大,對于工程進度造成一定影響,同時要求設計人員和施工人員有著更高的水平。

高層建筑轉換層的結構設計要同步滿足承載力、空間轉換、功能分區配置的需求,還需要與高層建筑設計過程中的其他附屬性工程進行對接,要提升整體工程的綜合質量,還需要為工程綜合效益的提升奠定基礎。設計人員需要結合建筑工程的實際情況,合理地設計轉換層結構的形式,從而提升工程的整體質量。

3 轉換層結構的應用案例及細節分析

為了進一步提升文章論述的科學性和有效性,本文建立在具體案例的基礎上進行細節分析,圍繞著高層建筑施工設計的具體需求,明確轉換層結構設計和施工期間的典型細節,確保能夠為相關領域的技術創新提供參考。

3.1 工程概況

某工程作為商業中心綜合高層建筑,總建筑面積約為3萬m2,工程高度64.8 m,地下兩層,地上18層。整體結構為鋼筋混凝土框架—剪力墻結構;工程安全等級為二級,使用年限為50年。

綜合該工程當前的規劃情況來看,主體結構已經接近竣工,為了滿足建筑不同空間的功能需求,在工程的7～9層取消了支柱,為了承托上層結構,同時作為下部第7層的銜接在8層以及9層設置了轉換桁架,結合其功能劃分成了兩個不同的結構,轉換桁架A、B負責承載第11層以及第10層的荷載,轉換桁架A 的下方懸掛了兩個框架柱,負責吊住第7層。兩個轉換桁架之間的距離設計為15.6 m,高度選擇3.6 m,坐落在兩側的同方向筒體墻上,轉換桁架框架和墻體內的內置鋼筋骨架進行連接。由于受到施工的影響,在電梯門處進行了構造加強,來滿足整體結構剛度的需求。

3.2 轉換結構的設計與細節把控

3.2.1 轉換結構方案分析

在設計轉換結構的整體方案之前,針對建筑工程的具體形式進行了分析,初步考慮了采用混凝土墻、轉換大梁等方式進行結構優化。但是該種方法所形成的轉換層和下層之間依舊存在剛度突變,難以符合建筑工程的整體規劃需求,過大的剛度不僅會導致結構受力情況不穩,在地震多發的環境下,墻體也很容易出現彈塑性和塑性階段的應力分布不規律且延性較差。

因此通過前期的工程試驗和可視化模擬,確定了使用桁架轉換結構,尤其利用鋼制的轉換桁架可以進一步解決剛度分布不均勻的問題,也可以提升建筑空間利用效率,明確具體的受力狀態,且自重較小,對于整體結構穩定性的提升有較強促進作用[5];也可以消除鋼筋混凝土桁架容易出現剪切脆性破壞的隱患。確定了初步設計方案之后,建立在建筑結構空間有限元分析的基礎上,進行細節計算,能夠得到鋼桁架的內力、計算中采用既能考慮面內剛度、面外剛度的殼單元,通過可視化模擬的方式打造了工程立體可視化模擬圖,計算了轉換層的水平,雙向地震作用以及豎向地震作用,考慮施工期間對于上下框架結構產生的影響,還針對整體結構的彈性動力時程進行了分析,確定整體轉換層能夠為高層建筑的穩定性提升奠定基礎。

3.2.2 結構參數的測定

轉換層的高度確定之后需要選取桁架桿件截面,能夠滿足轉換層自身高度以及承載力設計需求。綜合考慮地震反應、結構豎向剛度問題,重新分析了上部支撐結構的沉降問題,為了避免次應力的出現,通過多項對比確定了最終的結構參數。上弦桿翼緣寬度300 mm、柱寬600 mm,柱縱筋繞過翼緣彎折錨固到框架梁結構上,能夠避免二者之間的連接問題,同時也可以保證后續混凝土澆筑的綜合質量符合標準。最終,上弦桿截面參數:H600×300×20×30,下弦桿截面參數:H700×300×20×30,端部斜腹桿截面參數:H600×300×20×30,中間斜腹桿和直腹桿:H400×300×16×20,材質均選擇Q345C焊接工字鋼截面。

3.2.3 受力情況的計算

從理論角度來講,轉換層的受力情況需要考慮混凝土柱的實際配筋量、鋼桁架腹桿受剪承載力的總和。但是本工程的轉換桁架將兩端固定在了建筑結構的混凝土剪力墻上,在施工的過程中,對于混凝土墻體的允許變形較小,而轉換桁架想要達到受剪承載力需要很大的變形,通常為墻體開裂變形的三倍以上,同時鋼制的轉換桁架自身承載力有著更多的安全富余度,在未達到承載力極限之前,兩端的混凝土出現局部開裂的情況較大。為了造成不必要的資源浪費,本工程針對轉換層結構的下層兩側墻體進行了結構加強,通過水平配筋的方式,將其受剪承載力之比調整為0.67,在滿足常規規范標準的基礎上,又增強了整體結構的承載力,能夠滿足實際結構設計需求。

3.3 轉換層結構的構造設計

3.3.1 抗震設計

由于本工程位于地震多發的地區,為了進一步提升工程的穩定性,增強轉換層自身的剛度,針對轉換層進行了抗震加強。首先,所有和轉換桁架相連的整體結構進行部位配筋,提升墻體的穩固性。在轉換桁架的上下弦桿的上表面與混凝土樓板之間設置了栓釘,確保樓面水平力也可以在轉換層中順利傳遞。其次,針對轉換層上下的樓板進行適當加厚,并且配置雙層雙向鋼筋,配件率控制在0.3%以上[6]。依托信息技術利用可視化模擬的方式,確定了轉換層和上下樓層樓板之間的受力情況,結合應力分布情況進行區域加強。再次,轉換層制作內部設置了型鋼結構,與抗震墻之間保持300 mm 的對接深度,且確保墻體內部的鋼筋骨架與轉換桁架的隔板相連。在水平力作用下,轉換桁架這兩端與混凝土結構之間保持整體,不會輕易脫離。

3.3.2 連接構造的設計

在本次施工的過程當中,鋼骨混凝土最大的施工難題在于框架梁柱節點區域的施工,由于框架梁的主筋穿越了鋼骨柱,在施工的過程中容易受到多方影響,若處理不妥當,受力關鍵位置可能會成為薄弱位置。等工程在前期設計的過程中,從施工技術角度進行了創新。鋼骨柱翼緣相交的混凝土框架梁與鋼骨的連接方法,主要利用鋼筋主筋與鋼牛腿翼緣板相焊接的方式,與腹板相交的混凝土框架梁,則利用了縱筋穿過腹板或繞過翼緣,確保上弦節點與上部柱的中心對齊,進一步降低面外受力的概率,能夠讓所有的應力集中在轉換桁架結構上。這些連接方式進一步解決了混凝土梁板柱和型鋼之間的連接問題,能夠為整體工程的穩定性和整體性提升奠定基礎,又可以最大化轉換層的價值。

3.4 施工細節把控

在具體施工的過程中為了提升整體結構的穩定性和安全性,需要把控其中的重難點問題。

首先,在支護與拆模方面,原有的設計方案是主體結構完成施工結束之后將支撐鋼桁架的腳手架拆除,但是這對于下部結構的非主體施工會造成影響,也會額外增加一部分施工費用。后續,在實際施工的過程中調整為,在主體結構設計強度達到100%之后更可以拆除腳手架,上部結構的荷載集中由轉換桁架承擔[7]。實踐證明利用這樣的方式也能夠充分滿足實際施工要求。其次,懸掛柱的設計對于下部結構的穩定性將產生最直接影響。為了避免豎向位移導致懸掛柱的穩定性下降,避免帶來的次應力,在懸掛柱中部設置500 mm 寬的后澆塊,建筑主體結構施工結束之后再進行后澆塊的施工,能夠降低對下部結構產生的影響。

再次,在施工的過程中進行全過程監測,主要分析轉換桁架個別桿件的應變、位移情況,通過全過程智能監測和模擬驗算施工的合理性,而檢測的結果也將為后續的支模和拆模提供真實的力學依據。

在高層建筑結構規劃的過程中,轉換層的設計能夠為建筑整體穩定性的提升奠定基礎,也可以為建筑功能的劃分提供充足空間。在轉換層設計的過程中,要善于利用信息技術打造可視化的模擬體系,能夠精準計算承載力,讓應力分布可視化,為后續的結構優化提供依據。在施工期間還需要通過多項比對了解轉換層的剛度和承載力,采取行之有效的方式,提升整體結構的穩定性,尤其要將重點放置在連接節點方面,制定全過程監測體系,來滿足高層建筑施工的具體需求。