大型综合体劲性转换结构节点深化设计及应用

耿 涛 赵 健

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

现代高层建筑向多功能和综合用途发展，在同一竖直线上，顶部楼层布置住宅、旅馆，中部楼层作办公用房，下部楼层作商店、餐馆和文化娱乐设施。这就要求建筑上部开间较小、墙体较密的空间格局；中部办公用房需要小的和中等大小的室内空间；下部公用部分则希望有尽可能大的自由灵活空间，柱网要大、墙尽量少。这种要求与结构的合理、自然布置正好相反。因此，建筑裙房部分的结构往往因为功能上大跨度、大空间的布局要求或者场地条件的制约，上部竖向构件不能直接连续贯通地向下传递，所以需要通过水平转换结构将上部竖向构件所受荷载间接传递给下部的竖向构件。其中，转换梁是一种最为常见的水平转换结构[1-3]。

而在大中型项目中，由于建筑体量大、荷载工况复杂、安全系数较高，为保证结构构件的刚度与强度以及位移形变的需求，转换梁与下部竖向构件内通常会设置型钢骨，从而构成劲性混凝土结构[2]。劲性结构的节点设计需要深化钢筋与型钢骨的连接方式、钢筋的排布、现场施工工况等一系列因素。而劲性转换结构型钢更多、钢筋关系更为复杂、约束条件更为苛刻，因此劲性转换结构的深化设计更加困难，工作量更大。

这里我们以徐家汇中心项目为例，分析深化设计过程中遇到的重难点，探讨框架体系下劲性转换结构深化的通用规律。

1 项目概况

徐家汇中心项目位于上海市徐汇区徐家汇商圈核心地带，是集商业、办公、餐饮和星级酒店于一体的城市综合体工程。建筑地上部分主要由T1塔楼、T2塔楼及其附属酒店裙房组成，其中T1塔楼43层，T2塔楼70层，酒店部分15层、高76.5 m，裙房7层、高56.8 m，建筑主体地下部分共6层，基坑开挖深度超过30 m。

徐家汇中心项目（图1）体量庞大，功能多样，空间复杂，其中包含多种劲性转换结构设计，为我们提供了丰富的案例。

图1 徐家汇中心建筑效果图

1.1 常规转换梁

常规转换梁位于项目东侧裙房4-4区和4-13区交界处的3层。此处2层及以下为室外通道，3层及以上为裙房室内部分，为满足下层大空间的要求，3层处设置了3组大跨度转换梁，跨度最大可达22 m。3组转换梁梁高均为2 m，梁内居中设置H型钢。两端转换柱均不在转换层收头，柱内居中设置十字型钢，转换柱内居中布置H型钢，平面内梁与柱之间呈不规则斜交。

1.2 折梁转换梁

折梁转换梁位于项目西南角4-3区酒店部分的4层。此处3—4层柱网发生改变，建筑外墙向里收缩，同时由于建筑空间功能的需要，室内外有一定的高差，设计沿轴网布置了4组折梁转换梁。4组折梁转换梁型号一致，梁跨度约18 m、高2.5 m，中间竖向偏折440 mm。梁内居中布置H型钢，型钢随梁偏折同样高度。室外区域转换柱在转换层收头，室内区域不收头但变截面。转换柱内均居中布置H型钢，梁上柱内无型钢。梁柱均正交相连。

1.3 钢连桥支座

钢连桥位于项目西裙房2层的西北侧，东西方向布置，横跨宜山路，连接2个地块，跨度40 m左右。钢连桥支座处为钢牛腿，钢牛腿与型钢柱（梁）之间进行有效的连接，形成刚性节点，以满足钢连桥支座处的受力及变形要求。此处型钢梁柱节点受力复杂，同时要考虑牛腿型钢的连接，故节点中采用了比较多的钢筋接驳器及连接钢板。

2 劲性转换结构深化设计关键点解析

2.1 梁上部钢筋的两点控制到三点控制

在常规劲性节点深化时，梁纵筋的分布定位首先需要满足自身的配筋边距与间距；然后须考虑梁纵筋与柱型钢的连接方式，如若采用套筒连接，须保证套筒间距与边距；最后参考梁纵筋与柱纵筋的碰撞关系，在满足前2条要求的情况下微调梁纵筋或柱纵筋的位置。因此，在进行常规劲性节点深化时，梁纵筋的排列取决于两端柱的型钢尺寸与纵筋分布，体现为两点控制。

而在劲性转换结构节点中，梁上柱的钢骨打断了梁上表面部分纵筋的连续性，被打断的纵筋需要考虑与梁上柱型钢连接的位置与方式；同时梁上柱的纵筋亦会影响梁纵筋的排布[3]。因此，在劲性转换梁的深化过程中，梁上部纵筋的排列不仅要考虑两端的转换柱，同时也要考虑梁上柱的型钢与纵筋，体现为三点控制（梁下部纵筋依旧为两点控制）。两点控制与三点控制如图2所示。

图2 两点控制与三点控制示意

为解决这一问题，在进行梁上部钢筋纵向排布时，应该进行统筹考虑。首先以梁平面图为中心，同时布置转换柱、梁上柱3个节点处的转换梁纵筋的分布，在满足钢筋自身间距与边距的前提下，将纵筋分为两类，一种是被梁上柱钢骨打断的纵筋，另一种是在梁上柱钢骨外侧没有被打断的纵筋。外侧没有被打断的钢筋遵循两点控制的设计原则，注意与两端转换柱钢骨的连接方式以及与柱纵筋的碰撞关系即可。而被梁上柱钢骨打断的梁纵筋则可以分为2段，各自与梁上柱、转换柱遵循两端控制的原则完成排布。同时被分割的2段纵筋与梁上柱钢骨连接的位置应互相对称，确保纵筋的传力功能不受影响（图3）。

图3 梁上表面纵筋分类

2.2 转换柱纵筋的传力与收头

常规劲性节点的设计内容以梁纵筋与柱型钢的连接方式为主，基本不需要考虑柱纵筋的连接方式，而在劲性转换结构节点中，柱纵筋以及柱型钢的处理也都会影响整个节点的深化设计。我们针对不同种类、不同形式的柱节点工况，探讨各种情况下柱纵筋及型钢的处理方式[1]。

在节点处不存在横向型钢时，柱的纵筋往往只会存在一些钢筋碰撞问题，纵向上依旧是连续的且满足构件受力要求。而在劲性转换结构中，转换梁内通常存在横向梁型钢，梁型钢与柱型钢连接势必会打断此区域的柱纵筋，破坏钢筋的连续性。因此，为了保证竖向构件中力的传递，须将上下断开的钢筋用套筒与型钢梁连接，套筒间距与边距满足加工要求。同时型钢内部对应位置亦须布置厚度不小于钢筋直径的加劲板，实现“钢筋—加劲板—钢筋”的传力模式。这种连接方式主要针对在转换层不收头的转换柱，确保其竖向传力构件的连续。

当转换柱在转换层收头时，柱型钢顶应与梁上翼缘平齐，柱纵筋也需要做好收头处理。此时柱纵筋被分为2种，一种在梁型钢覆盖范围外，另一种在梁型钢覆盖范围内。在覆盖范围外的纵筋同普通劲性柱筋一样，在型钢顶处向柱中心弯锚收头，弯锚长度不少于15倍钢筋直径；而在型钢覆盖范围内的纵筋则使用套筒与梁型钢连接完成收头，套筒间距与边距需满足加工要求，型钢内对应位置布置厚度不小于钢筋直径的加劲板。

此处应注意，由于钢结构加工与现场施工时产生一定的误差，横向钢筋与纵向钢筋会产生一定的碰撞。在普通劲性节点施工中，由于柱纵筋位置灵活不受限制，钢筋之间的误差碰撞可以通过轻微移动柱筋位置来消除。而在劲性转换结构中，柱纵筋的位置被套筒所固定，无法移动，一旦产生误差碰撞，会给现场施工带来很大麻烦。因此，为保证工程质量与施工效率，在劲性转换结构的设计阶段，梁纵筋与柱纵筋之间需额外保留5 mm的误差间距。

2.3 梁上柱支座设计

通常情况下，劲性柱的型钢通过锚栓支架与基础或者楼面连接，根据柱脚的受力情况选择锚栓支架。但在劲性转换结构中，梁上柱所处位置下方存在型钢，无法使用长的锚栓支架，同时为保证结构的整体性，需要考虑柱钢骨以及柱纵筋与型钢梁的连接问题。

首先确定柱钢骨与梁型钢的连接方式，根据柱钢骨与梁型钢上翼缘的关系，分情况讨论。如钢骨截面完全落在梁型钢翼缘范围内，则采用双面焊接的方式连接柱钢骨与梁型钢；如柱钢骨截面部分凸出于梁型钢翼缘，则先用与梁型钢翼缘同厚的钢板对梁型钢翼缘进行局部补充，再进行焊接，补充部位的加劲板亦延长至补充钢板的外边缘。

其次需要考虑梁上柱纵筋的连接方式。柱纵筋可分为两类：一类落在梁型钢翼缘范围外，只需伸至梁底向柱中心弯锚至15倍钢筋直径即可；另一类落在梁型钢翼缘内，通过套筒与梁型钢连结，套筒在满足间距与边距尺寸的前提下，需避让梁上表面纵筋及套筒。落在梁型钢翼缘边界的柱纵筋需通过调整至适当位置将其归为前两类。

最后需要考虑加劲板的布置。在转换梁型钢内，为防止梁型钢上翼缘局部受力变形，柱钢骨截面处以及套筒位置需布置加劲板，加劲板厚度不小于柱型钢所用钢板厚度或套筒所对应钢筋直径。当柱钢骨方向与梁型钢腹板方向平行时，加劲板垂直于梁型钢布置，与柱型钢翼缘板及套筒中心线对齐；当柱钢骨方向与梁型钢腹板方向夹角小于30°时，加劲板依然垂直布置，且沿受力部位居中布置，可适当增加加劲板厚度；当转换柱型钢与梁型钢夹角大于30°时，加劲板则沿型钢柱翼缘、腹板及套筒中心线布置，不必与梁型钢垂直。

2.4 钢连桥支座型钢牛腿节点设计

从平面布置来看，钢支座所在型钢牛腿节点周边又衍生出其他型钢柱、型钢梁等劲性节点，从而形成一个较为复杂的多点控制的网络化节点，在深化设计中需对其进行综合分析，统筹考虑，依从主次，在确保单个节点有效连接的同时，使整个网络节点体系传力途径清晰，满足结构受力要求。如图4所示，节点一兼顾型钢牛腿、型钢柱和型钢梁，也是这个节点群中最复杂、最难的一个，我们先从其入手，再分析次要的节点二、三、四，各个击破。

图4 钢连桥支座综合节点

从受力体系分析，钢连桥支座依附于型钢牛腿，而型钢牛腿又依托在型钢柱或者型钢梁上，该牛腿上部钢筋混凝土部分受力复杂，应力较为集中，为满足钢结构及钢筋混凝土的整体协同变形要求，设计要求此处梁纵筋要和型钢骨必须有效连接形成闭环。

型钢梁上部纵筋弯锚后端部延伸被牛腿钢骨翼缘打断，下部纵筋又被型钢柱翼缘及牛腿打断，采用套筒或者外伸式套筒和梁纵筋进行连接，在端部形成闭环，以便对最为关键的型钢牛腿混凝土形成更好的受力约束。

3 典型案例解析

4-4区3层3组常规转大跨转换梁，所处位置柱网不规则，梁跨度大、体量大，梁与柱斜交角度较大，工况复杂，包含了劲性转换结构设计中的大多数重难点。我们选择其中一组转换梁EP-KL29作为案例，记录深化设计流程，以及其特定困难的解决方法。

3.1 读取图纸信息

首先校对项目提资图纸，读取图纸信息。根据梁柱形式、梁柱尺寸、型钢尺寸、梁标高、型钢标高等信息绘制节点平剖面框架。

在这组转换梁中，梁EP-KL29为方形梁，跨度22 m，截面尺寸为1 200 mm×2 000 mm；梁内居中布置H型钢骨，尺寸为1 400 mm×700 mm×50 mm×50 mm。两端转换柱EP-KZ28、EP-KZ34均为方柱，柱内居中布置十字形型钢，且皆不在转换层收头，型钢亦随柱向上延伸。梁上柱EP-KZ80为方柱，居中布置工字形型钢（图5）。

图5 转换梁配筋信息

3.2 梁纵筋排布与分类

检查图纸无误后，进行梁上部纵筋的初步排布。通过集中标注与原位标注可知梁上表面配筋为15φ40 mm 9/6，在满足钢筋边距的情况下，将第1层9根纵筋均匀排列在梁内，发现中间3根纵筋被梁上柱钢骨打断，这3根（现在是6根）采用三点控制的原则分别与转换柱、梁上柱的柱内型钢连接；两侧6根纵筋则根据两点控制的原则，锚入两端的转换柱中。第2层6根纵筋正好分布于两侧，连接方式与第1层两侧纵筋相同。而梁下表面配筋为15φ40 mm 9/6，排布方法与常规劲性节点一致。

3.3 柱纵筋排布与套筒定位

柱纵筋及梁型钢上套筒排布时，转换柱EP-KZ28、EPKZ34均不为收头柱，所以其连接处梁型钢上翼缘与下翼缘皆需布置套筒连接柱纵筋。平面上微调纵筋位置以满足套筒间距与边距的要求。对应位置布置厚40 mm加劲板，保证上下φ40 mm纵筋的传力。

梁上柱EP-KZ80钢骨完全落在梁型钢上翼缘范围内，可以直接与之焊接，无须设置补充钢板，随后根据柱配筋表大致排布梁上柱纵筋，平面上微调柱纵筋的位置，一方面使之不落在梁型钢翼缘边界，防止柱筋套筒边距不足，另一方面须避让梁纵筋，防止因发生碰撞而增加施工难度。确定好套筒位置后须布置加劲板，根据前文提到的原则，EP-KZ80柱钢骨水平轴线方向与梁型钢腹板方向斜交，但夹角小于30°，加劲板沿受力部位居中处垂直于梁型钢布置，选配加劲板厚度适当增加，取50 mm。

3.4 确定梁纵筋的连接方式

梁纵筋与型钢有2种连接方式：一种是节点板焊接，双面焊接长度必须大于5倍钢筋直径，考虑到施工容错率，此处φ32 mm钢筋所需节点板宽度不小于200 mm；另一种是接驳器及套筒连接，套筒之间须满足一定的间距与边距，且套筒法线与接触面法线夹角不得大于30°。同时，劲性节点深化中还有一个隐形的一端套筒原则，即1根钢筋不能两端都使用套筒。如果钢筋两端都使用套筒与型钢连接，施工时则需将钢筋打断，分别拧入两端套筒后再从中间搭接，这会导致现场施工工作量增大，工程质量也会下降。

在转换梁EP-KL29上表面，一共有3排共6根纵筋与型钢翼缘连接，且皆为一端连接转换柱型钢翼缘、另一端连接梁上柱型钢翼缘，根据“一端套筒”原则，其中至少有一端须采用节点板连接。然而由于梁上柱与转换柱钢骨尺寸过大，型钢翼缘到柱纵筋之间的间距不足200 mm，无法按常规设置节点板。为解决这一问题，我们对此处加劲板加以改进：优化节点板形状，打断部分落在型钢翼缘上的柱纵筋处，并增加节点板的宽度与厚度，充分保证焊接强度；为确保柱纵筋的传力性能，落在节点板范围内的柱纵筋与节点板采用套筒连接；节点板与型钢翼缘之间设置加劲板，加劲板与套筒位置对齐，实现“钢筋—节点板加劲板—型钢加劲板—钢筋”的传力模式。改进过的加劲板既满足横向梁纵筋的“一端套筒”原则，也保证了竖直方向柱纵筋的受力性能。

3.5 构件微调、完成图纸

出图前，需要检验3个节点中所有套筒的间距与边距，同时确保横、纵2个方向的钢筋无碰撞且预留5 mm的误差间距。此阶段需统筹协调转换柱、梁上柱的纵筋与转换梁纵筋之间关系，反复调整钢筋排布，最终确定套筒、节点板、加劲板的位置。最后标注出套筒、节点板、加劲板等构件的数量、尺寸与定位，备注好图纸的其他相关信息，对复杂部位（如改良加劲板）作详细说明或独立详图等。

4 结语

本文根据徐家汇中心项目劲性转换结构深化过程中积累的经验，并与常规劲性节点的深化进行对比，汇总了劲性转换结构深化设计中遇到的常见问题、难点，归纳总结出一系列的深化原则与技术措施。以梁纵筋为核心、三点控制、一端套筒等一系列原则不仅为今后的深化设计供了切实可行的借鉴方法，同时也充分考虑了施工的可行性与便利性，为项目中劲性转换结构的工程质量与工程进度提供了保障。在今后的设计过程中，随着案例增多，对劲性转换结构也会有新的认知，届时也会在目前的研究基础上引申与补充。同时也希望本文能起到抛砖引玉的作用，促进工程项目各单位对劲性转换结构深化设计的交流。