超高层建筑转换层的施工技术研究

刘勇

超高层建筑转换层的施工技术研究

刘勇

泸州职业技术学院, 四川 泸州 646000

在超高层建筑中，转换层被广泛应用，用于解决不同楼层结构转换的问题，满足建筑空间利用最大化、建筑功能多样性的需求。为了探究荷载传递法施工时最为安全和经济的支撑结构层数，本文以某总层高为27层的新建商住两用超高层建筑为例，借助于ABAQUS有限元计算软件，对支撑结构、标准层楼板及梁等额受力情况进行了数值模拟研究。研究成果表明：第一，荷载传递法施工时，只要支撑体系不出现失稳破坏，其受力便与杆件的长度关系不大；第二，支撑层数分别为一层和两层时，对应的标准层下一层和下一层与下二层承受来自转换层的施工荷载，此时标准层板的最大拉应力超过设计值；而当支撑层数增加为三层时，转换层下方三层标准层均承受来自上方的施工荷载，且由上至下三层标准板的最大拉应力值分别为1.27 MPa、0.97 MPa和1.06 MPa，满足设计要求；第三，荷载传递法施工时采用三层支撑，结构整体的最大竖向位移值仅为2.29 mm，可以忽略不计，可见本工程采取三层支撑脚手架是可行的。本文研究成果对本工程及其类似的超高层建筑转换层施工过程中，支撑体系层数的合理选取具有非常重要的指导意义。

超高层建筑; 转换层; 施工技术

超高层建筑转换层主要位于不同功能楼层结构中间，起到不同楼层结构转换，传递力的作用，此转换结构构件即为转换层结构。近年来超高层建筑向多用途方向发展，商业、办公、公寓等不同使用功能根据业主需求进行组合，随着其使用空间越来越趋于多样化，超高层建筑转换层技术得以快速革新。转换层结构根据不同楼层结构形式进行特殊设计，在满足相关规范，计算的前提下达到不同功能楼层对使用空间的要求，其结构形式主要有梁式、板式、箱式、空腹桁架式及桁架式等。高层建筑结构的上部重力等荷载较大，为了满足承载力需求，作为传力关键部位的转换层也通常会采用较大尺寸的结构，对其施工关键技术的深入研究是建筑施工中必不可少的部分之一。鲍广洲[1]、张良[2]和赵东明[3]等人以实际工程为案例，分别对就梁式转换层、桁架转换层钢结构及钢结构转换层的施工关键技术进行了研究；龚华山[4]以某商业住宅高层建筑为例，对其转换层施工技术措施进行了总结和介绍。不同建筑结构采取不同结构形式的转换层时，施工的关键技术也会有所差别，为此，本文以某新建商住两用的超高层建筑为例，对钢骨混凝土转换层结构关键性施工技术进行了研究。

1 工程概况

某新建商住两用楼层高共27层，建筑总高107 m，其中1~5层为商用房，7~27层为住宅用房，在第6层设转换层，层高7.2 m。拟采用的施工方案为荷载传递法。根据以往施工经验，荷载传递法施工时支撑结构可以与相邻的板结构共同承担上部荷载，支撑间距采用0.7 m×0.5 m。转换层下为钢筋混凝土框架结构体系，下部柱为1250 mm×1250 mm的矩形截面柱，转换层上为钢筋混凝土剪力墙结构体系，转换层采用钢骨混凝土结构，见图1所示。

图 1 钢骨混凝土转换梁及其中钢骨

2 基于ABAQUS的数值计算模型建立

借助于ABAQUS有限元数值模拟软件，对本工程转换层建立数值计算模型，其中支撑柱目前市场多用钢管脚手架，理想状态下，脚手架仅承受来自上部的竖向荷载，因此数值计算中不考虑立柱之间的斜撑和水平支撑，仅建立竖向钢管[5-9]，柱墙结构、支撑体系及结构整体模型见图2所示。

图 2 数值计算模型图

钢筋混凝土结构是复合材料，本文对其采取复合单元的嵌入式模型，建模时将钢筋和钢板嵌入到混凝土结构中进行计算，这样的处理方式不仅能保证计算结果的准确性，同时还能有效降低计算难度，简化计算过程[10-12]。本次数值模拟计算时最终材料物理力学性能设置情况为：实际工程中采用的是C30混凝土，钢材采用屈服强度为345MPa的Q235钢，模板采用厚度为20 mm的竹胶板，三种材料的屈服强度分别为=3×104N、=2.1×105N和=2.1×105N。施工过程中，支撑杆之间会适当设置水平杆用以约束支撑杆的水平位移，故认为支撑杆无水平位移；钢管与模板之间密贴，之间接触定以为press；支撑体系与地面间的接触定义为tie接触[13,14]。

3 数值模拟分析

3.1 支撑结构受力分析

转换层施工时，合理选用适当的支模方式不仅能保证施工的顺利和安全进行，还能有效较低施工成本，减少资源浪费[5]。对于荷载传递法而言，它是借助于支撑结构，让下部各楼层共同承担转换层施工期间的所有荷载[15]。本工程中转换层位于整个超高层建筑的6层，拟采用的支撑方案有三种，分别为支一层、支两层和支三层，转换层施工期间荷载相应地由其下方一层、二层和三层结构共同承担。数值模拟计算结果如下。

图 3 不同支撑层数下支撑结构受力图

由图3所示不同支撑层数下支撑结构的受力图可见，支撑体系采取支一层、支两层和支三层三种方案时，整体结构最大Mises应力分别为2.921 MPa、2.930 MPa和2.916 MPa，可见，增加支撑层数，对于支撑结构的受力情况并无影响，这主要是因为支撑结构为受压杆件，转换层的施工荷载通过杆件向下传递时，只要杆件不发生失稳破坏而是出于轴心抗压状态，无论杆件的长短，其受力便是一致的。

3.2 标准层板的受力分析

图 4 不同支撑层数下标准层板的受力图

由图4所示不同支撑层数下标准层板的受力图可以得到如下结论：

（1）支撑层数为一层时，超高层建筑转换层下一层楼板上的最大拉应力值为2.05 MPa，而C30混凝土的抗拉强度设计值和标准值分别为1.43 MPa和2.01 MPa，可见，此时下一层楼板可能会出现受拉破坏的现象，施工过程中应对下一层楼板计算云图中红色区域附近进行局部加强处理；

（2）支撑层数为一层时，转换层下二层和下三层标准板的最大拉应力值分别为0.94 MPa和0.90 MPa，呈现出递减的趋势且均小于混凝土结构的抗拉设计值；这主要是因为仅布设一层支撑钢管脚手架时，转换层施工荷载通过支撑结构传递至下一层，而下二层和下三层并未承担太多施工荷载，显然，本工程中转换层施工时支一层是不合理的；

（3）相比于支撑为一层，支撑层数增加为两层后，下一层标准板的最大拉应力由原来的2.05 MPa减小为1.99 MPa，下二层最大拉应力由原来的0.94 MPa增加为1.02 MPa，下三层最大拉应力依旧为0.90 MPa；可见此时在支撑体系的传力作用下，转换层施工荷载由其下一层和下二层结构共同承担，由于下三层并未设置支撑体系，故其未参与分担施工荷载；

（4）支撑体系由一层增加为两层后，虽然下二层开始为下一层分担来自转换层的施工荷载，但下一层标准板最大拉应力为1.99 MPa，仍然大于C30混凝土的抗拉强度设计值，可见，本工程施工中，设置两层支撑体系还是不能满足结构的承载能力需求；

（5）相比于支撑为两层，支撑层数增加为三层后，下一层标准板的最大拉应力由原来的1.99 MPa减小为1.27 MPa，下二层最大拉应力由原来的1.02 MPa降低为0.97 MPa，下三层最大拉应力由原来的0.90 MPa增加为1.06 MPa，可见，在支撑脚手架及相应柱和剪力墙的作用下，此时转换层下方三层结构均参与承受和分担来自于转换层的施工荷载，且各层标准板的最大拉应力值在允许范围内，可以认为此时结构受力是满足设计要求的。

3.3 各标准层梁受力及结构整体位移分析

通过对不同支撑层数时对应的楼层标准板的受力分析可见，本工程中转换层施工时，支撑体系最少需要3层才能满足要求，基于这一结论，以下就三层支撑体系下转换层下标准梁的受力和结构整体的变形情况进行分析。

图 5 采取三层支撑脚手架时各标准层梁受力图

图5所示为支撑体系采用三层脚手架时，各标准层梁的受力云图，由图可以得到如下结论：

（1）由图可见，最大拉应力出现在各标准层梁梁高变化位置，这主要是梁高变化处，高层建筑柱结构之间的距离和次梁间距均比较大所致；

（2）三层标准梁的最大拉应力值分别为1.30 MPa、1.41 MPa和2.01 MPa。此时，下一层和下二层标准梁拉应力小于混凝土抗拉强度设计值，下三层标准梁最大拉应力值超过其设计值并逼近混凝土抗拉强度标准值；

（3）下三层标准梁在转换层施工荷载作用有可能会出现局部混凝土开裂的现象，但这一分布范围非常小，可以采用“在合理范围内增大梁底配筋”、“施工过程中减少最大拉应力出现位置处的支撑结构数量”等措施予以解决；同时，标准梁为钢筋混凝土结构，在混凝土出现轻微裂缝时，钢筋会参与受力，所以当支撑体系采用三层时，对结构整体并无影响。

图 6 结构整体竖向位移云图

由图6可见，当采用三层支撑脚手架时，结构整体的最大竖向沉降值为2.29 mm，最大竖向隆起值为1.08 mm，位移值较小可以忽略不计，这进一步说明，本工程采取三层支撑脚手架是可行的。

4 结语

本文以某采用荷载传递法施工的总层高为27层的新建商住两用超高层建筑为例，借助于ABAQUS有限元计算软件，对支撑脚手架采用不同层数时转换层下方结构的受力情况进行了数值模拟研究，得到主要结论如下：

（1）荷载传递法施工时，支撑脚手架承受来自于转换层的施工荷载，并将荷载传递给转换层下的标准层，这一过程中支撑结构主要承受压应力，只要杆件不出现失稳破坏，其受力便与杆件的长度关系不大；

（2）支撑层数为三层时，在支撑脚手架及相应柱和剪力墙的传力作用下，转换层下方三层标准层均承受来自上方的施工荷载，且此时由上至下三层标准板的最大拉应力值分别为1.27 MPa、0.97 MPa和1.06 MPa，满足设计要求；

（3）支撑层数为三层时，三层标准梁的最大拉应力值分别为1.30 MPa、1.41 MPa和2.01 MPa。可见，下三层标准梁在转换层施工荷载作用有可能会出现局部混凝土开裂的现象，但由于梁底有受拉钢筋，所以对结构并无太大损伤，且受拉区域非常小，可以采用施工过程中减少最大拉应力出现位置处的支撑结构数量等措施予以解决；

（4）荷载传递法施工时采用三层支撑，结构整体的最大竖向位移值仅为2.29 mm，可以忽略不计，可见本工程采取三层支撑脚手架是可行的。

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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

刘勇(1983-),男,硕士,讲师,研究方向:工程项目管理、结构抗震. E-mail:232529047@qq.com