高层建筑转换层结构设计与施工*

毛慧峰

(中铁十二局集团建筑安装工程有限公司 太原 030000)

结合我国当前的建筑结构设计情况来看,绝大部分的高层建筑会迎合区域经济发展以及民生建设需求,上层结构作为住宅或旅馆,中部则为办公区域,底部的空间更为宽阔,通常为餐饮或娱乐场所。这种类型的高层建筑在墙体结构以及空间布局方面,需要考虑不同楼层的受力情况,因此设置转换层能够缓解高层建筑受力不均的问题,对于提升建筑安全性和稳定性有一定促进作用,而转换层本身的设计,也需要关注质量和稳定性方面的问题。

1 高层建筑转换层的理论概述

由于高层建筑为了迎合不同领域的实际需求,上、中、下选择了3种不同的设计标准。下部结构大部分为娱乐、休闲、餐饮空间为主,建筑内部的墙体、支撑柱相对较少;中部则为办公区域,内部空间结构大多数为中等大小,空间划分规范性较强,需要满足常规的人员办公需求以及日常会议需求,相对于下层结构来讲,中部结构的支柱结构,以及墙体较为密集;上层结构大部分为民用住宅、快捷酒店、旅馆,这种类型的空间,在划分的过程中考虑了常规住宅的设计需求,墙体和支柱较为密集,在空间划分方面灵活性较强[1]。

以上这种控件设计方案,在当前绝大部分高层综合性建筑中应用得较为广泛,但也导致了不同的空间结构受力情况、承重能力有较大差异,为了进一步满足整体建筑为转换层,来缓解其中受力不均导致的各项问题。转换层结构的设计与常规的建筑结构设计有较大差异,首先转换层需要承受上下结构的集中荷载,上层结构给予的竖向荷载以及下层结构的多层荷载,会直接集中在转换层结构上。因此该结构自身的稳定性、刚度必须满足实际要求[2];其次,转换层结构跨度通常较大,这就要求内部构件要有较强的挠度;再次,转换层结构的功能性较为复杂,在施工的过程中往往会存在较多难题,因此进行施工期间的细节把控是转换层结构设计的重中之重。

2 高层建筑转换层设计形式分析

随着我国社会发展水平的逐步提升,综合性高层建筑的数量也在不断增加,不同的建筑工程,在设计的过程中要满足不同需求,转换层结构,自身的设计也在应需求不断进行调整,因此出现了多种类型的转换层结构形式,也能够起到不同的应用效果。

2.1 箱式形式

箱式形式是当前较为普遍的建筑结构,施工难度较低,在高层建筑转换层施工中有着较为明显的应用优势。同时该种类型的转换层可以与建筑的整体规划融为一体,不仅可以提升空间优化的质量,还能够满足常规的承载力设计需求,保证建筑工程的整体质量符合标准。但是该种类型的转换层在设计的过程中需要投入更多资金,与承建单位本身的实力以及建筑工程后续的经济效益有一定关联[3]。

2.2 梁式形式

梁式转换层但结构较为简单,前期预算成本较低,对于当前绝大部分的高层建筑都有适配性。在施工过程中难度较低,能够提升施工效率,也可以维持原有的施工进度控制计划。但是该种类型的转换层很难承受更大的承载力,对于高层建筑的层数有一定要求,若上部结构的承重力较高,不宜采取梁式转换层。

2.3 桁架式形式

桁架转换层能够将高层建筑的各个功能区进行连接,该种类型的转换层具备更强的整体性以及系统性,这是在高层建筑中应用的核心优势,能够降低附属性设施施工的难度,比如为管道施工提供更加便捷的系统;抗震能力较强,在长期使用之后,依旧可以维持着较好的效果,后期不需要花费更多的时间和精力进行维护[4]。但设计难度较大,对于工程进度造成一定影响,同时要求设计人员和施工人员有着更高的水平。

高层建筑转换层的结构设计要同步满足承载力、空间转换、功能分区配置的需求,还需要与高层建筑设计过程中的其他附属性工程进行对接,要提升整体工程的综合质量,还需要为工程综合效益的提升奠定基础。设计人员需要结合建筑工程的实际情况,合理地设计转换层结构的形式,从而提升工程的整体质量。

3 转换层结构的应用案例及细节分析

为了进一步提升文章论述的科学性和有效性,本文建立在具体案例的基础上进行细节分析,围绕着高层建筑施工设计的具体需求,明确转换层结构设计和施工期间的典型细节,确保能够为相关领域的技术创新提供参考。

3.1 工程概况

某工程作为商业中心综合高层建筑,总建筑面积约为3万m2,工程高度64.8 m,地下两层,地上18层。整体结构为钢筋混凝土框架—剪力墙结构;工程安全等级为二级,使用年限为50年。

综合该工程当前的规划情况来看,主体结构已经接近竣工,为了满足建筑不同空间的功能需求,在工程的7～9层取消了支柱,为了承托上层结构,同时作为下部第7层的衔接在8层以及9层设置了转换桁架,结合其功能划分成了两个不同的结构,转换桁架A、B负责承载第11层以及第10层的荷载,转换桁架A 的下方悬挂了两个框架柱,负责吊住第7层。两个转换桁架之间的距离设计为15.6 m,高度选择3.6 m,坐落在两侧的同方向筒体墙上,转换桁架框架和墙体内的内置钢筋骨架进行连接。由于受到施工的影响,在电梯门处进行了构造加强,来满足整体结构刚度的需求。

3.2 转换结构的设计与细节把控

3.2.1 转换结构方案分析

在设计转换结构的整体方案之前,针对建筑工程的具体形式进行了分析,初步考虑了采用混凝土墙、转换大梁等方式进行结构优化。但是该种方法所形成的转换层和下层之间依旧存在刚度突变,难以符合建筑工程的整体规划需求,过大的刚度不仅会导致结构受力情况不稳,在地震多发的环境下,墙体也很容易出现弹塑性和塑性阶段的应力分布不规律且延性较差。

因此通过前期的工程试验和可视化模拟,确定了使用桁架转换结构,尤其利用钢制的转换桁架可以进一步解决刚度分布不均匀的问题,也可以提升建筑空间利用效率,明确具体的受力状态,且自重较小,对于整体结构稳定性的提升有较强促进作用[5];也可以消除钢筋混凝土桁架容易出现剪切脆性破坏的隐患。确定了初步设计方案之后,建立在建筑结构空间有限元分析的基础上,进行细节计算,能够得到钢桁架的内力、计算中采用既能考虑面内刚度、面外刚度的壳单元,通过可视化模拟的方式打造了工程立体可视化模拟图,计算了转换层的水平,双向地震作用以及竖向地震作用,考虑施工期间对于上下框架结构产生的影响,还针对整体结构的弹性动力时程进行了分析,确定整体转换层能够为高层建筑的稳定性提升奠定基础。

3.2.2 结构参数的测定

转换层的高度确定之后需要选取桁架杆件截面,能够满足转换层自身高度以及承载力设计需求。综合考虑地震反应、结构竖向刚度问题,重新分析了上部支撑结构的沉降问题,为了避免次应力的出现,通过多项对比确定了最终的结构参数。上弦杆翼缘宽度300 mm、柱宽600 mm,柱纵筋绕过翼缘弯折锚固到框架梁结构上,能够避免二者之间的连接问题,同时也可以保证后续混凝土浇筑的综合质量符合标准。最终,上弦杆截面参数:H600×300×20×30,下弦杆截面参数:H700×300×20×30,端部斜腹杆截面参数:H600×300×20×30,中间斜腹杆和直腹杆:H400×300×16×20,材质均选择Q345C焊接工字钢截面。

3.2.3 受力情况的计算

从理论角度来讲,转换层的受力情况需要考虑混凝土柱的实际配筋量、钢桁架腹杆受剪承载力的总和。但是本工程的转换桁架将两端固定在了建筑结构的混凝土剪力墙上,在施工的过程中,对于混凝土墙体的允许变形较小,而转换桁架想要达到受剪承载力需要很大的变形,通常为墙体开裂变形的三倍以上,同时钢制的转换桁架自身承载力有着更多的安全富余度,在未达到承载力极限之前,两端的混凝土出现局部开裂的情况较大。为了造成不必要的资源浪费,本工程针对转换层结构的下层两侧墙体进行了结构加强,通过水平配筋的方式,将其受剪承载力之比调整为0.67,在满足常规规范标准的基础上,又增强了整体结构的承载力,能够满足实际结构设计需求。

3.3 转换层结构的构造设计

3.3.1 抗震设计

由于本工程位于地震多发的地区,为了进一步提升工程的稳定性,增强转换层自身的刚度,针对转换层进行了抗震加强。首先,所有和转换桁架相连的整体结构进行部位配筋,提升墙体的稳固性。在转换桁架的上下弦杆的上表面与混凝土楼板之间设置了栓钉,确保楼面水平力也可以在转换层中顺利传递。其次,针对转换层上下的楼板进行适当加厚,并且配置双层双向钢筋,配件率控制在0.3%以上[6]。依托信息技术利用可视化模拟的方式,确定了转换层和上下楼层楼板之间的受力情况,结合应力分布情况进行区域加强。再次,转换层制作内部设置了型钢结构,与抗震墙之间保持300 mm 的对接深度,且确保墙体内部的钢筋骨架与转换桁架的隔板相连。在水平力作用下,转换桁架这两端与混凝土结构之间保持整体,不会轻易脱离。

3.3.2 连接构造的设计

在本次施工的过程当中,钢骨混凝土最大的施工难题在于框架梁柱节点区域的施工,由于框架梁的主筋穿越了钢骨柱,在施工的过程中容易受到多方影响,若处理不妥当,受力关键位置可能会成为薄弱位置。等工程在前期设计的过程中,从施工技术角度进行了创新。钢骨柱翼缘相交的混凝土框架梁与钢骨的连接方法,主要利用钢筋主筋与钢牛腿翼缘板相焊接的方式,与腹板相交的混凝土框架梁,则利用了纵筋穿过腹板或绕过翼缘,确保上弦节点与上部柱的中心对齐,进一步降低面外受力的概率,能够让所有的应力集中在转换桁架结构上。这些连接方式进一步解决了混凝土梁板柱和型钢之间的连接问题,能够为整体工程的稳定性和整体性提升奠定基础,又可以最大化转换层的价值。

3.4 施工细节把控

在具体施工的过程中为了提升整体结构的稳定性和安全性,需要把控其中的重难点问题。

首先,在支护与拆模方面,原有的设计方案是主体结构完成施工结束之后将支撑钢桁架的脚手架拆除,但是这对于下部结构的非主体施工会造成影响,也会额外增加一部分施工费用。后续,在实际施工的过程中调整为,在主体结构设计强度达到100%之后更可以拆除脚手架,上部结构的荷载集中由转换桁架承担[7]。实践证明利用这样的方式也能够充分满足实际施工要求。其次,悬挂柱的设计对于下部结构的稳定性将产生最直接影响。为了避免竖向位移导致悬挂柱的稳定性下降,避免带来的次应力,在悬挂柱中部设置500 mm 宽的后浇块,建筑主体结构施工结束之后再进行后浇块的施工,能够降低对下部结构产生的影响。

再次,在施工的过程中进行全过程监测,主要分析转换桁架个别杆件的应变、位移情况,通过全过程智能监测和模拟验算施工的合理性,而检测的结果也将为后续的支模和拆模提供真实的力学依据。

在高层建筑结构规划的过程中,转换层的设计能够为建筑整体稳定性的提升奠定基础,也可以为建筑功能的划分提供充足空间。在转换层设计的过程中,要善于利用信息技术打造可视化的模拟体系,能够精准计算承载力,让应力分布可视化,为后续的结构优化提供依据。在施工期间还需要通过多项比对了解转换层的刚度和承载力,采取行之有效的方式,提升整体结构的稳定性,尤其要将重点放置在连接节点方面,制定全过程监测体系,来满足高层建筑施工的具体需求。