大型綜合體勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)節(jié)點深化設(shè)計及應(yīng)用

耿 濤 趙 健

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

現(xiàn)代高層建筑向多功能和綜合用途發(fā)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(shè)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(nèi)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(wǎng)要大、墻盡量少。這種要求與結(jié)構(gòu)的合理、自然布置正好相反。因此，建筑裙房部分的結(jié)構(gòu)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(gòu)件不能直接連續(xù)貫通地向下傳遞，所以需要通過水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將上部豎向構(gòu)件所受荷載間接傳遞給下部的豎向構(gòu)件。其中，轉(zhuǎn)換梁是一種最為常見的水平轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[1-3]。

而在大中型項目中，由于建筑體量大、荷載工況復(fù)雜、安全系數(shù)較高，為保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度與強度以及位移形變的需求，轉(zhuǎn)換梁與下部豎向構(gòu)件內(nèi)通常會設(shè)置型鋼骨，從而構(gòu)成勁性混凝土結(jié)構(gòu)[2]。勁性結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計需要深化鋼筋與型鋼骨的連接方式、鋼筋的排布、現(xiàn)場施工工況等一系列因素。而勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)型鋼更多、鋼筋關(guān)系更為復(fù)雜、約束條件更為苛刻，因此勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的深化設(shè)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(shè)計過程中遇到的重難點，探討框架體系下勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)深化的通用規(guī)律。

1 項目概況

徐家匯中心項目位于上海市徐匯區(qū)徐家匯商圈核心地帶，是集商業(yè)、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(fù)雜，其中包含多種勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)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(guī)轉(zhuǎn)換梁

常規(guī)轉(zhuǎn)換梁位于項目東側(cè)裙房4-4區(qū)和4-13區(qū)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(nèi)部分，為滿足下層大空間的要求，3層處設(shè)置了3組大跨度轉(zhuǎn)換梁，跨度最大可達22 m。3組轉(zhuǎn)換梁梁高均為2 m，梁內(nèi)居中設(shè)置H型鋼。兩端轉(zhuǎn)換柱均不在轉(zhuǎn)換層收頭，柱內(nèi)居中設(shè)置十字型鋼，轉(zhuǎn)換柱內(nèi)居中布置H型鋼，平面內(nèi)梁與柱之間呈不規(guī)則斜交。

1.2 折梁轉(zhuǎn)換梁

折梁轉(zhuǎn)換梁位于項目西南角4-3區(qū)酒店部分的4層。此處3—4層柱網(wǎng)發(fā)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(nèi)外有一定的高差，設(shè)計沿軸網(wǎng)布置了4組折梁轉(zhuǎn)換梁。4組折梁轉(zhuǎn)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(nèi)居中布置H型鋼，型鋼隨梁偏折同樣高度。室外區(qū)域轉(zhuǎn)換柱在轉(zhuǎn)換層收頭，室內(nèi)區(qū)域不收頭但變截面。轉(zhuǎn)換柱內(nèi)均居中布置H型鋼，梁上柱內(nèi)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(cè)，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(jié)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(jié)點受力復(fù)雜，同時要考慮牛腿型鋼的連接，故節(jié)點中采用了比較多的鋼筋接駁器及連接鋼板。

2 勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)深化設(shè)計關(guān)鍵點解析

2.1 梁上部鋼筋的兩點控制到三點控制

在常規(guī)勁性節(jié)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(guān)系，在滿足前2條要求的情況下微調(diào)梁縱筋或柱縱筋的位置。因此，在進行常規(guī)勁性節(jié)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(xiàn)為兩點控制。

而在勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)節(jié)點中，梁上柱的鋼骨打斷了梁上表面部分縱筋的連續(xù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換柱，同時也要考慮梁上柱的型鋼與縱筋，體現(xiàn)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(yīng)該進行統(tǒng)籌考慮。首先以梁平面圖為中心，同時布置轉(zhuǎn)換柱、梁上柱3個節(jié)點處的轉(zhuǎn)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(cè)沒有被打斷的縱筋。外側(cè)沒有被打斷的鋼筋遵循兩點控制的設(shè)計原則，注意與兩端轉(zhuǎn)換柱鋼骨的連接方式以及與柱縱筋的碰撞關(guān)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(zhuǎn)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(yīng)互相對稱，確保縱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(zhuǎn)換柱縱筋的傳力與收頭

常規(guī)勁性節(jié)點的設(shè)計內(nèi)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)節(jié)點中，柱縱筋以及柱型鋼的處理也都會影響整個節(jié)點的深化設(shè)計。我們針對不同種類、不同形式的柱節(jié)點工況，探討各種情況下柱縱筋及型鋼的處理方式[1]。

在節(jié)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(xù)的且滿足構(gòu)件受力要求。而在勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)換梁內(nèi)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(qū)域的柱縱筋，破壞鋼筋的連續(xù)性。因此，為了保證豎向構(gòu)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(nèi)部對應(yīng)位置亦須布置厚度不小于鋼筋直徑的加勁板，實現(xiàn)“鋼筋—加勁板—鋼筋”的傳力模式。這種連接方式主要針對在轉(zhuǎn)換層不收頭的轉(zhuǎn)換柱，確保其豎向傳力構(gòu)件的連續(xù)。

當(dāng)轉(zhuǎn)換柱在轉(zhuǎn)換層收頭時，柱型鋼頂應(yīng)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(nèi)。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(nèi)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(nèi)對應(yīng)位置布置厚度不小于鋼筋直徑的加勁板。

此處應(yīng)注意，由于鋼結(jié)構(gòu)加工與現(xiàn)場施工時產(chǎn)生一定的誤差，橫向鋼筋與縱向鋼筋會產(chǎn)生一定的碰撞。在普通勁性節(jié)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，柱縱筋的位置被套筒所固定，無法移動，一旦產(chǎn)生誤差碰撞，會給現(xiàn)場施工帶來很大麻煩。因此，為保證工程質(zhì)量與施工效率，在勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shè)計

通常情況下，勁性柱的型鋼通過錨栓支架與基礎(chǔ)或者樓面連接，根據(jù)柱腳的受力情況選擇錨栓支架。但在勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jù)柱鋼骨與梁型鋼上翼緣的關(guān)系，分情況討論。如鋼骨截面完全落在梁型鋼翼緣范圍內(nèi)，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(nèi)，通過套筒與梁型鋼連結(jié)，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(diào)整至適當(dāng)位置將其歸為前兩類。

最后需要考慮加勁板的布置。在轉(zhuǎn)換梁型鋼內(nèi)，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(yīng)鋼筋直徑。當(dāng)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(dāng)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(dāng)增加加勁板厚度；當(dāng)轉(zhuǎn)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(jié)點設(shè)計

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

圖4 鋼連橋支座綜合節(jié)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(fù)雜，應(yīng)力較為集中，為滿足鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土的整體協(xié)同變形要求，設(shè)計要求此處梁縱筋要和型鋼骨必須有效連接形成閉環(huán)。

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(huán)，以便對最為關(guān)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(qū)3層3組常規(guī)轉(zhuǎn)大跨轉(zhuǎn)換梁，所處位置柱網(wǎng)不規(guī)則，梁跨度大、體量大，梁與柱斜交角度較大，工況復(fù)雜，包含了勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計中的大多數(shù)重難點。我們選擇其中一組轉(zhuǎn)換梁EP-KL29作為案例，記錄深化設(shè)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(jù)梁柱形式、梁柱尺寸、型鋼尺寸、梁標(biāo)高、型鋼標(biāo)高等信息繪制節(jié)點平剖面框架。

在這組轉(zhuǎn)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(nèi)居中布置H型鋼骨，尺寸為1 400 mm×700 mm×50 mm×50 mm。兩端轉(zhuǎn)換柱EP-KZ28、EP-KZ34均為方柱，柱內(nèi)居中布置十字形型鋼，且皆不在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(biāo)注與原位標(biāo)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(nèi)，發(fā)現(xiàn)中間3根縱筋被梁上柱鋼骨打斷，這3根（現(xiàn)在是6根）采用三點控制的原則分別與轉(zhuǎn)換柱、梁上柱的柱內(nèi)型鋼連接；兩側(cè)6根縱筋則根據(jù)兩點控制的原則，錨入兩端的轉(zhuǎn)換柱中。第2層6根縱筋正好分布于兩側(cè)，連接方式與第1層兩側(cè)縱筋相同。而梁下表面配筋為15φ40 mm 9/6，排布方法與常規(guī)勁性節(jié)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(zhuǎn)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(diào)縱筋位置以滿足套筒間距與邊距的要求。對應(yīng)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(nèi)，可以直接與之焊接，無須設(shè)置補充鋼板，隨后根據(jù)柱配筋表大致排布梁上柱縱筋，平面上微調(diào)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(fā)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(jù)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(dāng)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(jié)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(jié)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(jié)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(dǎo)致現(xiàn)場施工工作量增大，工程質(zhì)量也會下降。

在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換柱型鋼翼緣、另一端連接梁上柱型鋼翼緣，根據(jù)“一端套筒”原則，其中至少有一端須采用節(jié)點板連接。然而由于梁上柱與轉(zhuǎn)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(guī)設(shè)置節(jié)點板。為解決這一問題，我們對此處加勁板加以改進：優(yōu)化節(jié)點板形狀，打斷部分落在型鋼翼緣上的柱縱筋處，并增加節(jié)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(jié)點板范圍內(nèi)的柱縱筋與節(jié)點板采用套筒連接；節(jié)點板與型鋼翼緣之間設(shè)置加勁板，加勁板與套筒位置對齊，實現(xiàn)“鋼筋—節(jié)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(gòu)件微調(diào)、完成圖紙

出圖前，需要檢驗3個節(jié)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(yù)留5 mm的誤差間距。此階段需統(tǒng)籌協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)換柱、梁上柱的縱筋與轉(zhuǎn)換梁縱筋之間關(guān)系，反復(fù)調(diào)整鋼筋排布，最終確定套筒、節(jié)點板、加勁板的位置。最后標(biāo)注出套筒、節(jié)點板、加勁板等構(gòu)件的數(shù)量、尺寸與定位，備注好圖紙的其他相關(guān)信息，對復(fù)雜部位（如改良加勁板）作詳細(xì)說明或獨立詳圖等。

4 結(jié)語

本文根據(jù)徐家匯中心項目勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)深化過程中積累的經(jīng)驗，并與常規(guī)勁性節(jié)點的深化進行對比，匯總了勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)深化設(shè)計中遇到的常見問題、難點，歸納總結(jié)出一系列的深化原則與技術(shù)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(shè)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量與工程進度提供了保障。在今后的設(shè)計過程中，隨著案例增多，對勁性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)也會有新的認(rèn)知，屆時也會在目前的研究基礎(chǔ)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)深化設(shè)計的交流。