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”，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、預應力混凝土、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、柱與墻間設置加強筋(暗梁)。

2．4 箱式轉(zhuǎn)換層

當上下部結(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剪刀撐拉設牢固?？蚣芰旱啄０宸侥緫用?。

2)8．80 m～11．10 m夾層原設計未考慮留設施工洞，設計變更留設施工洞口，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9．0 m模板時，即應考慮留設。

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樓板鋼筋上設鋼筋拉鉤(鋼筋φ16拉鉤應使用圓鋼)，拉鉤應當可靠錨固在樓板內(nèi)，拉鉤數(shù)量位置按照設計圖示要求設置。在框架梁上通過拉設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固定。

3)注意樓板鋼筋與梁鋼筋的位置關(guān)系:樓板鋼筋應可靠支設在框架梁主筋上。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)主框支梁應考慮支設用措施鋼筋;同時施工縫部位考慮留設Φ25@200插筋，鋼筋長度為600 mm，施工縫上下各留設一半。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 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;振搗混凝土時產(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，在施工設計中，只有在科學計算的基礎上，精心組織，采用合適的轉(zhuǎn)換層類型，并對相應的結(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，取得良好的經(jīng)濟效果。

［1］GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設計規(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］．