曲面外墻帶轉換層高層建筑的抗震計算與施工技術要點分析

劉大成

（中電建建筑集團有限公司，北京 100000）

0 引言

為滿足高層建筑結構的功能性和美觀性，在進行結構設計時，往往采用連續曲面外墻，不僅能夠使建筑物更好地融合到周圍環境中，還能弱化其方向性，增加采光、通風效果。但是，曲面外墻高層建筑樓板大開洞可降低樓層平面內剛度，從而降低各樓層的水平剛度。因此，對于曲面外墻高層建筑，不僅需要進行抗震計算，還要結合計算結果優化抗震施工技術，從而提高高層建筑的抗震性能。本文就曲面外墻帶轉換層高層建筑抗震性計算與施工技術要點進行分析。

1 案例工程施工難點

某高層建筑總占地面積達到6352m2，包括15層地上結構和地下1層結構，建筑物高度60.3m，室內外高差為100cm。采用部分框支-剪力墻結構，為提高與周邊建筑的共融性，采用連續曲面外墻設計。經過綜合分析認為，工程項目施工難點如下：

（1）薄弱部位抗震設計難度大：平面不規則，且樓板有多處大開洞，樓板連續性差，增大樓板剛度，導致應力過于集中，因而容易出現結構開裂，對薄弱位置抗震效果產生一定影響[1]。

（2）外墻采用連續曲面設計，曲率半徑大，Y向扭轉位移比達到1.25，呈不規則形態，為確保混凝土施工質量和效率，需要加強模板支設環節施工控制，一定程度上增加支設難度。

（3）豎向規則性判斷結果顯示，地下1層頂板與地上1層樓板錯層高度達到1.5m，高于1.2m的規定值，且第2層為轉換層，導致豎向抗側力構件之間呈不連續狀態。

2 抗震性設計與計算分析

2.1 抗震設計

該項目采用連續外墻曲面設計，其抗震設計如表1所示。

表1 工程項目相關抗震設計

2.2 關鍵部位構件抗震性能

采用PSMA 2和SATWE結構設計軟件，對抗震性能進行計算。計算時既要考慮抗震技術應用的可行性，也要兼顧施工的經濟性，關鍵部位構件抗震性能初步計算結果如表2所示。

表2 關鍵部位構件抗震性能計算結果

2.3 層間位移

層間位移計算結果見表3所示。由表3中數據可知，X向和Y向最大層間位移角度和最大層間位移比均符合規范與設計要求。值得注意的是，由于在2層設置轉換層，因此1層到2層的層間位移稍顯劇烈，但是仍然在允許范圍之內。

表3 層間位移計算結果

2.4 其他指標

（1）樓層剪力系數：現行規范中明確指出，地震烈度為7度（0.10g）的建筑，樓層最小剪力系數為1.6%[2]。通過計算，在地震作用下，X向和Y向最小剪重比為4.78%，因此無需對系數進行調整。

（2）樓層側向剛度：計算結果顯示，無論是X向，還是Y向，地下1層與地上1層的剪切剛度比均＞1.5，且轉換層（2層）與3層＞0.5，符合設計規范。在此基礎上，所有樓層側向剛度均高于上層的90%，無薄弱層。

（3）傾覆彎矩：通過計算發現，對于水平力作用下框支框架所能承受的地震傾覆力矩，兩個結構設計軟件所得結果比較接近，且均＜50%，符合規范要求，見表4所示。

表4 框支框架承受的地震傾覆力矩

3 抗震施工技術要點

3.1 地下結構

基礎底板是高層建筑上部結構的嵌固端，為提高整體抗震效果，采用帶負1層的樁筏式基礎。地下結構抗震施工技術要點包括：

（1）控制地下水水位：在對地下室頂板進行混凝土澆筑之前，需要對地下水水位進行有效控制，使其下降到底板墊層（基坑最低點）的30cm之下。澆筑后到覆土前，控制地下水水位在底板墊層的50cm之下。覆土完成到6層樓面施工結束后，停止控制水位[3]。

（2）土方開挖支撐：當基坑土方開挖至標高后，分區域實施混凝土支撐，遵循對稱、限時和分層原則，采用盆式開挖方式，避免延長基坑的無支撐暴露時間。設臨時邊坡，開挖支撐土方時，鋪設臨時用下基坑棧道，并與支撐混凝土結構施工時間錯開。

（3）底板分層澆筑：在對地下1層底板進行澆筑時，除后澆帶外，均采用斜面分層一次澆筑成型方法進行施工，分層厚度≤40cm，不留施工縫。由下層端部開始澆筑，逐漸向上移動。

（4）后澆帶澆筑：套筒負責對后澆帶鋼筋進行連接，采用水泥砂漿保護外漏鋼筋。完成主體結構施工后，記錄2周內沉降數據，結合沉降情況決定是否進行沉降后澆帶澆筑，澆筑前清理雜物和浮漿，使用高于兩側已澆筑部位的混凝土等級[4]。

（5）基礎回填：在對地下1層、承臺以及基坑側壁間隙等基礎結構進行回填時，先排出積水，并及時清理建筑垃圾、虛土，不得將其作為回填材料。回填土使用級配砂石，采用分層夯實方法，壓實系數＞0.95。對于地下1層多個結構縫，選用中粗砂將空隙填實，壓實系數同樣＞0.95，并且注意避免回填材料對外墻防水層產生破壞。

3.2 現澆樓板

如果從抗震角度衡量曲面外墻高層建筑結構安全性，需控制其地震作用下所產生的扭轉振動效應，為強化薄弱部位抗震效果，需將水平力下樓板變形控制到最小，并合理運用抗側力構件，使水平荷載更加科學[5]，主要措施包括：

（1）提高層剛度：增加上下相鄰層樓板和開洞層的厚度到12cm，強化樓板連續性，有效彌補多處大開洞所引發的層剛度下降問題。

（2）控制軸壓比：對建筑結構中各墻柱軸壓比進行有效控制，強化開洞層抗側力構件自身的強度，使其具備良好的變形能力和延性，進而確保結構達到“強剪弱彎”和“強柱弱梁”的技術標準[6]。

（3）加大配筋率：多開洞可引發應力集中，因此通過增加開洞處樓板配筋率來降低應力。鋼筋連接采用兩種方式完成，分別為焊接和機械接頭，于梁邊合適位置錨固接板鋼筋，雙層雙向配筋，間距≤150mm，使樓板能夠發揮類似水平梁的作用[7]。對于開洞側邊梁，適當增加其截面面積，使其至少達到板厚的2倍，或者加大開洞側邊梁縱向的配筋率，使配筋率≥2%。

3.3 曲面模板

由于目前模板材料普遍適用于平面外墻，對于曲面外墻高層建筑而言，曲面模板加固施工不易確保承載力，會增加混凝土結構問題。為進一步提高曲面模板施工質量，確保抗震效果，曲面模板施工主要注意以下問題：

（1）多種模板配合：采用木模+鋼模雖然可滿足曲面外墻施工，但是拼縫處木模需要裁減，剩余材料往往無法繼續使用，導致資源浪費。因此，先使用鋼模作出平面，配合土模、沙模和泥模作出曲面，在發揮鋼模強度高優勢的基礎上，利用泥沙土的高可塑性。

（2）曲面墻體澆筑：對于曲面外墻，流質混凝土澆筑過程中，可能導致上模板上浮，需要采取一定措施避免模板偏移而引發墻體尺寸偏差、漏漿等問題。剪力墻剛度高于樓板剛度，相較于設計值，其與支撐立桿之間的軸力呈偏大狀態，施工時注意對剪力墻、支撐立桿（梁下）進行加密處理，使軸力接近設計值。

（3）局部異形模板制作：曲面外墻高層建筑容易產生局部異形，局部異形包括墻頂變標高異形、復合曲面模板、曲面相交部位角模等，結合異形部位特點，全部采用鋼模，對模板面積、尺寸、使用數量等進行準確測量，根據測量結果制作鋼模。

3.4 框支梁

在進行框支梁施工時，采取以下關鍵技術提高抗震施工效果：

（1）控制梁尺寸：框支梁施工既要兼顧抗震性能，也要充分考慮模板、混凝土使用量，在確保建筑結構抗震效果的同時，最大程度減少材料投入，節省更多成本。結合抗震性能計算結果，將梁寬度控制在60～70cm左右，且控制梁高度＜120cm。框支梁梁底沿跨度方向分布2根立桿，間隔50cm。

（2）優化箍筋設置：為提高整體結構的抗震性能，增加框支梁配筋率，導致焊接量增大，結合抗震性能計算結果，對框支梁箍筋布置進行優化，減少內置型鋼的截面積，且盡量錯開內置型鋼和箍筋，節約鋼材，提高施工效率。

（3）節點區澆筑：根據抗震性能測量，并結合文獻[8]報道認為，框支梁與框支柱節點位置進行整體澆筑，且確保鋼筋連續通過，有助于提高節點區域的抗震效果。同時，為預防地震時曲面外墻高層建筑出現災害性裂縫，施工時整體實施分區域以及分段澆筑，框支梁則進行分層澆筑，注意合理控制分層高度，以≤30cm為宜。為了進一步提高鋼筋與混凝土結構的握裹力，開展二次復振。

4 結束語

本文以某典型曲面外墻高層建筑為例，分析其抗震施工難點，并就結構特點計算項目抗震性能，根據計算結果，總結施工技術要點。針對地下結構抗震施工，提出控制地下水水位、土方開挖支撐、底板分層澆筑、后澆帶澆筑、基礎回填等抗震施工技術措施。對于現澆樓板抗震施工，通過提高層剛度、控制軸壓比和加大配筋率來實現。在曲面模板施工中，通過多種模板配合、完善曲面墻體澆筑以及局部異形模板制作，達到良好抗震效果。而關于框支梁施工，則根據抗震相關計算結果，采用控制梁尺寸、優化箍筋設置、加強節點區澆筑方式來提高抗震性能。基于抗震性能分析所提出的曲面外墻高層建筑結構抗震施工技術，能滿足抗震性能和經濟性要求，可指導類似工程。