超高層建筑轉換層的施工技術研究

劉勇

超高層建筑轉換層的施工技術研究

劉勇

瀘州職業(yè)技術學院, 四川 瀘州 646000

在超高層建筑中，轉換層被廣泛應用，用于解決不同樓層結構轉換的問題，滿足建筑空間利用最大化、建筑功能多樣性的需求。為了探究荷載傳遞法施工時最為安全和經濟的支撐結構層數(shù)，本文以某總層高為27層的新建商住兩用超高層建筑為例，借助于ABAQUS有限元計算軟件，對支撐結構、標準層樓板及梁等額受力情況進行了數(shù)值模擬研究。研究成果表明：第一，荷載傳遞法施工時，只要支撐體系不出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，其受力便與桿件的長度關系不大；第二，支撐層數(shù)分別為一層和兩層時，對應的標準層下一層和下一層與下二層承受來自轉換層的施工荷載，此時標準層板的最大拉應力超過設計值；而當支撐層數(shù)增加為三層時，轉換層下方三層標準層均承受來自上方的施工荷載，且由上至下三層標準板的最大拉應力值分別為1.27 MPa、0.97 MPa和1.06 MPa，滿足設計要求；第三，荷載傳遞法施工時采用三層支撐，結構整體的最大豎向位移值僅為2.29 mm，可以忽略不計，可見本工程采取三層支撐腳手架是可行的。本文研究成果對本工程及其類似的超高層建筑轉換層施工過程中，支撐體系層數(shù)的合理選取具有非常重要的指導意義。

超高層建筑; 轉換層; 施工技術

超高層建筑轉換層主要位于不同功能樓層結構中間，起到不同樓層結構轉換，傳遞力的作用，此轉換結構構件即為轉換層結構。近年來超高層建筑向多用途方向發(fā)展，商業(yè)、辦公、公寓等不同使用功能根據(jù)業(yè)主需求進行組合，隨著其使用空間越來越趨于多樣化，超高層建筑轉換層技術得以快速革新。轉換層結構根據(jù)不同樓層結構形式進行特殊設計，在滿足相關規(guī)范，計算的前提下達到不同功能樓層對使用空間的要求，其結構形式主要有梁式、板式、箱式、空腹桁架式及桁架式等。高層建筑結構的上部重力等荷載較大，為了滿足承載力需求，作為傳力關鍵部位的轉換層也通常會采用較大尺寸的結構，對其施工關鍵技術的深入研究是建筑施工中必不可少的部分之一。鮑廣洲[1]、張良[2]和趙東明[3]等人以實際工程為案例，分別對就梁式轉換層、桁架轉換層鋼結構及鋼結構轉換層的施工關鍵技術進行了研究；龔華山[4]以某商業(yè)住宅高層建筑為例，對其轉換層施工技術措施進行了總結和介紹。不同建筑結構采取不同結構形式的轉換層時，施工的關鍵技術也會有所差別，為此，本文以某新建商住兩用的超高層建筑為例，對鋼骨混凝土轉換層結構關鍵性施工技術進行了研究。

1 工程概況

某新建商住兩用樓層高共27層，建筑總高107 m，其中1~5層為商用房，7~27層為住宅用房，在第6層設轉換層，層高7.2 m。擬采用的施工方案為荷載傳遞法。根據(jù)以往施工經驗，荷載傳遞法施工時支撐結構可以與相鄰的板結構共同承擔上部荷載，支撐間距采用0.7 m×0.5 m。轉換層下為鋼筋混凝土框架結構體系，下部柱為1250 mm×1250 mm的矩形截面柱，轉換層上為鋼筋混凝土剪力墻結構體系，轉換層采用鋼骨混凝土結構，見圖1所示。

圖 1 鋼骨混凝土轉換梁及其中鋼骨

2 基于ABAQUS的數(shù)值計算模型建立

借助于ABAQUS有限元數(shù)值模擬軟件，對本工程轉換層建立數(shù)值計算模型，其中支撐柱目前市場多用鋼管腳手架，理想狀態(tài)下，腳手架僅承受來自上部的豎向荷載，因此數(shù)值計算中不考慮立柱之間的斜撐和水平支撐，僅建立豎向鋼管[5-9]，柱墻結構、支撐體系及結構整體模型見圖2所示。

圖 2 數(shù)值計算模型圖

鋼筋混凝土結構是復合材料，本文對其采取復合單元的嵌入式模型，建模時將鋼筋和鋼板嵌入到混凝土結構中進行計算，這樣的處理方式不僅能保證計算結果的準確性，同時還能有效降低計算難度，簡化計算過程[10-12]。本次數(shù)值模擬計算時最終材料物理力學性能設置情況為：實際工程中采用的是C30混凝土，鋼材采用屈服強度為345MPa的Q235鋼，模板采用厚度為20 mm的竹膠板，三種材料的屈服強度分別為=3×104N、=2.1×105N和=2.1×105N。施工過程中，支撐桿之間會適當設置水平桿用以約束支撐桿的水平位移，故認為支撐桿無水平位移；鋼管與模板之間密貼，之間接觸定以為press；支撐體系與地面間的接觸定義為tie接觸[13,14]。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 支撐結構受力分析

轉換層施工時，合理選用適當?shù)闹７绞讲粌H能保證施工的順利和安全進行，還能有效較低施工成本，減少資源浪費[5]。對于荷載傳遞法而言，它是借助于支撐結構，讓下部各樓層共同承擔轉換層施工期間的所有荷載[15]。本工程中轉換層位于整個超高層建筑的6層，擬采用的支撐方案有三種，分別為支一層、支兩層和支三層，轉換層施工期間荷載相應地由其下方一層、二層和三層結構共同承擔。數(shù)值模擬計算結果如下。

圖 3 不同支撐層數(shù)下支撐結構受力圖

由圖3所示不同支撐層數(shù)下支撐結構的受力圖可見，支撐體系采取支一層、支兩層和支三層三種方案時，整體結構最大Mises應力分別為2.921 MPa、2.930 MPa和2.916 MPa，可見，增加支撐層數(shù)，對于支撐結構的受力情況并無影響，這主要是因為支撐結構為受壓桿件，轉換層的施工荷載通過桿件向下傳遞時，只要桿件不發(fā)生失穩(wěn)破壞而是出于軸心抗壓狀態(tài)，無論桿件的長短，其受力便是一致的。

3.2 標準層板的受力分析

圖 4 不同支撐層數(shù)下標準層板的受力圖

由圖4所示不同支撐層數(shù)下標準層板的受力圖可以得到如下結論：

（1）支撐層數(shù)為一層時，超高層建筑轉換層下一層樓板上的最大拉應力值為2.05 MPa，而C30混凝土的抗拉強度設計值和標準值分別為1.43 MPa和2.01 MPa，可見，此時下一層樓板可能會出現(xiàn)受拉破壞的現(xiàn)象，施工過程中應對下一層樓板計算云圖中紅色區(qū)域附近進行局部加強處理；

（2）支撐層數(shù)為一層時，轉換層下二層和下三層標準板的最大拉應力值分別為0.94 MPa和0.90 MPa，呈現(xiàn)出遞減的趨勢且均小于混凝土結構的抗拉設計值；這主要是因為僅布設一層支撐鋼管腳手架時，轉換層施工荷載通過支撐結構傳遞至下一層，而下二層和下三層并未承擔太多施工荷載，顯然，本工程中轉換層施工時支一層是不合理的；

（3）相比于支撐為一層，支撐層數(shù)增加為兩層后，下一層標準板的最大拉應力由原來的2.05 MPa減小為1.99 MPa，下二層最大拉應力由原來的0.94 MPa增加為1.02 MPa，下三層最大拉應力依舊為0.90 MPa；可見此時在支撐體系的傳力作用下，轉換層施工荷載由其下一層和下二層結構共同承擔，由于下三層并未設置支撐體系，故其未參與分擔施工荷載；

（4）支撐體系由一層增加為兩層后，雖然下二層開始為下一層分擔來自轉換層的施工荷載，但下一層標準板最大拉應力為1.99 MPa，仍然大于C30混凝土的抗拉強度設計值，可見，本工程施工中，設置兩層支撐體系還是不能滿足結構的承載能力需求；

（5）相比于支撐為兩層，支撐層數(shù)增加為三層后，下一層標準板的最大拉應力由原來的1.99 MPa減小為1.27 MPa，下二層最大拉應力由原來的1.02 MPa降低為0.97 MPa，下三層最大拉應力由原來的0.90 MPa增加為1.06 MPa，可見，在支撐腳手架及相應柱和剪力墻的作用下，此時轉換層下方三層結構均參與承受和分擔來自于轉換層的施工荷載，且各層標準板的最大拉應力值在允許范圍內，可以認為此時結構受力是滿足設計要求的。

3.3 各標準層梁受力及結構整體位移分析

通過對不同支撐層數(shù)時對應的樓層標準板的受力分析可見，本工程中轉換層施工時，支撐體系最少需要3層才能滿足要求，基于這一結論，以下就三層支撐體系下轉換層下標準梁的受力和結構整體的變形情況進行分析。

圖 5 采取三層支撐腳手架時各標準層梁受力圖

圖5所示為支撐體系采用三層腳手架時，各標準層梁的受力云圖，由圖可以得到如下結論：

（1）由圖可見，最大拉應力出現(xiàn)在各標準層梁梁高變化位置，這主要是梁高變化處，高層建筑柱結構之間的距離和次梁間距均比較大所致；

（2）三層標準梁的最大拉應力值分別為1.30 MPa、1.41 MPa和2.01 MPa。此時，下一層和下二層標準梁拉應力小于混凝土抗拉強度設計值，下三層標準梁最大拉應力值超過其設計值并逼近混凝土抗拉強度標準值；

（3）下三層標準梁在轉換層施工荷載作用有可能會出現(xiàn)局部混凝土開裂的現(xiàn)象，但這一分布范圍非常小，可以采用“在合理范圍內增大梁底配筋”、“施工過程中減少最大拉應力出現(xiàn)位置處的支撐結構數(shù)量”等措施予以解決；同時，標準梁為鋼筋混凝土結構，在混凝土出現(xiàn)輕微裂縫時，鋼筋會參與受力，所以當支撐體系采用三層時，對結構整體并無影響。

圖 6 結構整體豎向位移云圖

由圖6可見，當采用三層支撐腳手架時，結構整體的最大豎向沉降值為2.29 mm，最大豎向隆起值為1.08 mm，位移值較小可以忽略不計，這進一步說明，本工程采取三層支撐腳手架是可行的。

4 結語

本文以某采用荷載傳遞法施工的總層高為27層的新建商住兩用超高層建筑為例，借助于ABAQUS有限元計算軟件，對支撐腳手架采用不同層數(shù)時轉換層下方結構的受力情況進行了數(shù)值模擬研究，得到主要結論如下：

（1）荷載傳遞法施工時，支撐腳手架承受來自于轉換層的施工荷載，并將荷載傳遞給轉換層下的標準層，這一過程中支撐結構主要承受壓應力，只要桿件不出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，其受力便與桿件的長度關系不大；

（2）支撐層數(shù)為三層時，在支撐腳手架及相應柱和剪力墻的傳力作用下，轉換層下方三層標準層均承受來自上方的施工荷載，且此時由上至下三層標準板的最大拉應力值分別為1.27 MPa、0.97 MPa和1.06 MPa，滿足設計要求；

（3）支撐層數(shù)為三層時，三層標準梁的最大拉應力值分別為1.30 MPa、1.41 MPa和2.01 MPa?？梢?，下三層標準梁在轉換層施工荷載作用有可能會出現(xiàn)局部混凝土開裂的現(xiàn)象，但由于梁底有受拉鋼筋，所以對結構并無太大損傷，且受拉區(qū)域非常小，可以采用施工過程中減少最大拉應力出現(xiàn)位置處的支撐結構數(shù)量等措施予以解決；

（4）荷載傳遞法施工時采用三層支撐，結構整體的最大豎向位移值僅為2.29 mm，可以忽略不計，可見本工程采取三層支撐腳手架是可行的。

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Study on Construction Technology of Transfer Floor on Super High-rise Building

LIU Yong

646000,

In super high-rise buildings, transfer floors are widely used to solve the problem of structural transformation of different floors, to meet the needs of maximizing the use of building space and diversity of building functions. In order to explore the most safe and economical supporting structure layers in the construction of load transfer method, Taking a new commercial and residential super high-rise building with a total floor height of 27 stories as an example, this paper makes a numerical simulation study on the equal stress of supporting structure, standard floor and beam with the help of ABAQUS finite element calculation software. The research results show that: firstly, in the construction of load transfer method, as long as the support system does not appear instability damage, its stress has little relationship with the length of the bar; Secondly, when the number of supporting stories is one and two stories respectively, the next and the second stories of the corresponding standard stories bear construction loads from the transfer stories, and the maximum tensile stress of the standard laminates exceeds the design value. When the number of supporting layers is increased to three layers, the three standard layers below the transfer floor all bear construction loads from above, and the maximum tensile stress values of the three standard plates from top to bottom are 1.27 MPa, 0.97 MPa and 1.06 MPa, respectively, which meet the design requirements. Thirdly, the maximum vertical displacement of the whole structure is only 2.29 mm, which can be neglected. So it is feasible to adopt three-storey scaffolding in this project. The research results of this paper have very important guiding significance for the reasonable selection of supporting system layers in the construction process of this project and similar super high-rise buildings.

Super high-rise building; transfer floor; construction technology

TU974

A

1000-2324(2020)03-0537-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.031

2018-10-11

2018-11-28

劉勇(1983-),男,碩士,講師,研究方向:工程項目管理、結構抗震. E-mail:232529047@qq.com