建筑结构转换层设计与施工分析

赵 凯

(深圳市建筑设计研究总院有限公司,广东深圳 518000)

近些年来,国内外高层建筑发展迅速,上部是住宅、旅馆,中部为办公用房,下部用作商场、餐馆等,多功能及综合性用途的高层建筑己经愈来愈多。楼层建筑功能的改变,往往需要改变竖向结构型式或改变柱网轴线,甚至两者都改变,这样,在竖向结构体系发生变化的楼层就要设置转换层(transfer floor),转换层也称为过渡层,近来得到了迅速的发展。目前国内学者对于这类复杂转换结构的抗震设计研究还比较少,并且大多还局限在多遇地震作用下弹性范围内的结构分析研究,保证这类复杂转换结构在罕遇地震作用下“大震不倒”,必须确定结构合理的塑性分布,所以精心地设计和严格地施工就显得尤为重要了。

1 转换层的类型和功能

按照不同的结构转换功能,转换层可分为三类。

(1)高层建筑上层与下层的结构形式不同,通过转换层完成上层至下层的变化,被称为结构型式的转换。这种功能被广泛应用于框剪结构和剪力墙结构,结构转换层将上部剪力墙转换为下部框架,给下部楼层创造一个较大的内部空间。例如,广东河源金蓬美域,地面以上 10栋塔楼,19层,均为部分框支剪力墙结构,分别为 1层或 2层转换。

(2)高层建筑上层与下层的结构形式不变,但通过转换层完成其从上层到下层不同柱网轴线布置的变化,也就是柱网轴线的转换。通过结构转换层,使下层形成大柱网,以满足下层形成较大空间的需要。如佛山国家高新区创新中心会展中心,3层展厅和会议室需大空间,4层以上部分框架柱落在位于 3层的转换梁,以达到此目的。

(3)通过转换层同时完成高层建筑上层与下层结构形式与柱网轴线布置的变化。结构型式和轴线布置同时转换。上部楼层剪力墙通过结构转换层改变为框架,同时,下部楼层柱网轴线与上部楼层的轴线错开,形成上、下部结构不对齐的布置。例如,香港 Haibor Road Development大厦,49层,总高度为 180 m。上层为小柱距框筒结构,是通过预应力混凝土大梁的转换。

2 转换层的设计要点

转换梁的跨度为 8.05～9.0m,截面高度 2.5 m,跨高比3.2～3.6,多跨转换,属连续短梁。转换梁截面尺寸一般由剪压比控制确定 ,其承载力一般也由斜截面受剪承载力控制。混凝土结构设计规范没有明确给出短梁的斜截面受剪承载力计算公式。根据研究,建议:

(1)转换梁正截面受弯承载力仍按普通梁计算。

(2)转换梁斜截面受剪承载力主要由混凝土和箍筋承担,水平腹筋对斜截面受剪承载力有一定贡献,约占 11%。因此,可不考虑水平腹筋的作用,将其作为安全储备,斜截面受剪承载力按下式计算:

式中:λ是计算剪跨比;ft和 fyv分别是混凝土和箍筋的抗拉强度设计值;Asv为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积;Sv是箍筋的间距;b、h0分别是转换梁截面宽度、有效高度。

(3)转换梁的截面尺寸应满足下式的要求:

式中:Vmax是转换梁支座截面最大剪力组合设计值;γRE是承载力抗震调整系数;fc是混凝土轴心抗压强度设计值。另外,考虑到转换梁在结构中的重要性,在正常使用阶段,一般不允许出现斜裂缝,建议在荷载短期效应组合下,应满足:

式中:Vs为按荷载短期效应组合计算的最大剪力值。转换梁截面尺寸一般较大,沿梁高还应配置适量的水平腹筋,一方面可以抑制斜裂缝的开展,抵抗温度应力和混凝土收缩应力;另一方面也可以提供一定的受剪、受弯承载力,作为构件的安全储备。

3 转换层施工的重点和难点

模板支撑系统、钢筋的连接与绑扎、混凝土浇筑及裂缝控制都是转换层施工的重点和难点。

(1)因转换梁截而尺寸大,转换层的混凝土与钢筋自重以及施工荷载非常大,因此如何确定转换层梁板模板的支撑系统是转换层施工的重点之一,必须保证支撑系统的承载力和整体稳定性。

(2)转换梁的配筋量大,主筋长,布置密,在梁柱节点区钢筋更是纵横交错。因此,如何正确地翻样和下料,保证钢筋位置和数量的正确是钢筋施工的关键。

(3)转换梁的截面较大,梁柱节点的核心区钢筋纵横交错,钢筋间距小,混凝土自由下落困难,且易产生温度及收缩裂缝。因此,如何保证混凝土顺利浇筑和防止裂缝的产生是保证混凝土施上质量的关键。

4 转换层施工要点

4.1 大体积混凝土和钢筋密集部位混凝土的浇捣要点

(1)转换层的梁、柱钢筋分布密集,且为大体积混凝土,对混凝土的施工要求特别高。为了提高混凝土的流动性,便于高密度钢筋混凝土的浇捣,同时控制混凝土水泥用量、降低水化热,采用掺合料,而且最好使用细石混凝土,并选用细度模数在 2.5以上的中砂。严格控制好搅拌时间,保证混凝土的施工质量。

(2)对于混凝土柱的浇捣,由于转换层结构均为大截面梁,其面筋一般应锚入柱内至梁底以下,所以梁底以下的柱混凝土不能一次性浇捣至梁底,必须分两次:第一次在梁钢筋未安装前浇捣至梁底以下的梁面筋锚入深度的位置;第二次浇捣应在梁钢筋验收完毕且第一次混凝土强度达到设计强度的 70%以上时浇捣。所以,第一次浇捣难度较大,必须在梁侧模板和柱头模板安装前进行。浇捣方法从柱头四角侧面钢筋较疏的位置下料和振捣,以保证混凝土的浇捣质量,确保混凝土的密实。

(3)对于大截面梁的浇捣,应考虑到梁、柱头位置的钢筋特别密集、混凝土浇捣难度较大、浇捣速度慢等情况。若梁板同时浇捣可能导致混凝土施工的时间超过混凝土的初凝时间,而且梁下部的混凝土浇捣质量难以保证。高大截面梁的混凝土也应分两次浇捣才能保证施工质量。

4.2 模板工程施工要点

(1)梁、板的模板安装,为保证大截面梁模板的刚度和强度符合要求,梁下支撑的门式架间距必须按实际受力情况进行计算后确定,并采用 48钢管作水平拉杆及剪力撑此外,梁底的承重木枋必须采用经过挑选的完好木枋。截面较高的梁,侧模安装应在梁中部加螺栓,其间距及排距必须经计算确定,再用 48钢管作侧模的水平杠,做法与剪力墙基本相同。这样才能保证大截面梁的模板安装质量。

(2)楼板的模板安装也采用门式架支撑,用 48钢管作水平拉杆,并与梁的水平拉杆连接,使整层的模板形成牢固的整体,保证模板的稳定性。

(3)梁模板支撑的变形控制。由于大跨度梁模板支撑受力后可能会产生压缩变形,而造成混凝土结构变形,为保证梁截面尺寸准确,在梁底模安装时,必须严格按施工规范起拱。

4.3 钢筋工程施工要点

(1)钢筋抽料应严格按施工图及规范的要求计算。柱梁节点处钢筋密集、交错的部位必须先给出钢筋布置图后再严格按规范设置。钢筋下料前必须严格对钢筋抽料表进行复核。

(2)超密集部位的钢筋施工,应在施工现场先放样后进行安装,做到合理安排钢筋就位次序。为保证保护层厚度,采用坚硬的花岗岩石板碎块作垫块,间距 1.0 m,统一垫在箍筋下,且在梁骨架就位前放置。

(3)由于转换层的梁截面一般较大,钢筋特别密集,钢筋自重很大,所以梁钢筋安装必须在梁底模板安装后进行,梁的侧模应在钢筋安装完毕并经验收合格后才安装。

5 结束语

转换层结构要承受上面各层的全部荷载,因此施工过程中必须严格控制好施工质量。有切实的质量保证措施,精心施工,才能避免出现质量问题。

[1]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2002

[2]朱伯龙.结构抗震试验[M].北京:地震出版社,1989

[3]姚振纲,刘祖华.建筑结构试验[M].上海:同济大学出版社,2000