高層建筑轉換層施工技術研究

賀 勇

摘要:文章針對高層建筑結構形式日益大型化、復雜化,給施工帶來許多新的難度的問題,探討了高層建筑轉換層結構施工技術,包括結構轉換層的特點、轉換層設計、經濟指標、抗震性能、梁式和桁架式轉換等注意事項,對工程施工有著十分重要的意義。

關鍵詞:高層建筑;轉換層;抗震性能;梁式;桁架式

中圖分類號:TU378文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)22-0147-02

轉換層結構的跨度和承受的豎向荷載均很大,致使轉換層結構構件的截面尺寸不可避免地高而大。目前應用最為廣泛的混凝土梁式轉換層中一般轉換結構的截面高度為跨度的1/4~1/6,實際工程中轉換結構常用截面高度為1.6~4.0m,只有在跨度較小或承托的層數較少時才采用較小的截面高度0.9~1.4m,而跨度較大且承托的層數較多或構造條件特殊時則采用較大的截面高度4.0~8.2m,如此高大的轉換結構其連續(xù)施工強度大,施工過程復雜,給現場施工帶來了相當大的難度。在混凝土轉換結構施工中,其關鍵在于轉換結構臨時支撐系統(tǒng)的設置和混凝土施工方案的確定,上述每一項施工技術都是轉換層施工中的嶄新課題。為確保轉換結構的施工能夠順利、有效地完成,這就要求其施工能根據工程的實際情況,方便地運用一些比較成熟的理論,并結合類似工程的經驗,快速、有效地解決以上問題。

一、結構轉換層的特點

高層建筑中轉換層的突出特點主要有兩個方面:一是轉換層通常設置在建筑物的下部,在它的上面承受著幾十層的荷載,受力復雜,它的破壞將會導致災難性的后果。由于設計時分析方法的限制,對各種形式轉換層難以做到精確分析;另一方面是轉換層部位地震反應強烈。由于轉換層承受荷載巨大,導致其截面超出常規(guī),鋼材耗用量大、剛度大,重量也較一般樓層顯著加大。

高層建筑水平力起控制作用,在地震區(qū),一般要求樓層的質量和剛度均勻變化,不宜有突變,否則在地震作用下易產生薄弱層。高層建筑在轉換層質量和剛度的變化導致該部位地震反應加大。另外,轉換層的巨大截面還會給施工帶來許多不方便。如武漢新世界中心,轉換層采用1.6m厚的厚板,這種厚度的板不但配筋、混凝土澆筑困難,施工質量難以控制,而且施工時對其下部的模板支撐體系要求嚴格。0.5kN/m2以上的澆筑重量,常規(guī)的模板支撐不適用,還需另行設計制作,增加了工程的費用。一般地,由于轉換層以上是小開間的剪力墻結構,而轉換層以下是以柱為主要承重的大空間結構。很明顯,轉換層以上的結構剪切剛度大于轉換層以下的結構剪切剛度,這必須進行調整。

二、轉換層結構的施工特點

部分豎向構件在轉換層處被打斷,使豎向力的傳遞被迫發(fā)生轉折,而轉換層就是實現轉折功能的大型水平構件。帶轉換層的高層建筑是一受力復雜、不利抗震的結構體系,該結構及其支撐系統(tǒng)有自身的特點。

眾多高層建筑采用梁式轉換層進行結構轉換,這主要是由于:

(一)轉換層設計

1.帶轉換層的多高層建筑,轉換層的下部樓層由于設置大空間的要求,其剛度會產生突變,一般比轉換層上部樓層的剛度小,設計時應采取措施減少轉換層上、下樓層結構抗側剛度及承載力的變化,以保證滿足抗風、抗震設計的要求。轉換構件為重要傳力部位,應保證轉換構件的安全性。

2.8度抗震設計時除考慮豎向荷載、風荷載或水平地震作用外。還應考慮豎向地震作用的影響,轉換構件的豎向地震作用,可采用反應譜方法或動力時程分析方法計算;作為近似考慮,也可將轉換構件在重力荷載標準值作用下的內力乘以增大系數1.1。

(二)經濟指標

從抗剪和抗沖切的角度考慮,轉換板的厚度往往很大。一般可達2.0m~2.8m。這樣的厚板一方面重量很大,增大了對下部垂直構件的承載力設計要求,另一方面本層的混凝土用量也很大。

轉換梁常用截面高度為1.6~4.0m,只有在跨度較小以及承托的層數較少時才轉換梁常用截面高度0.9~1.4m,而跨度較大且承托較大且承托的層數較多時,或構件條件特殊時才采用較大的截面高度4.0~8.2m。

(三)抗震性能

由于厚板集中了很大的剛度和質量,在地震作用下,地震反應強烈。不僅板本身受力很大,而且由于沿豎向剛度突然變化,相鄰上、下層受到很大的作用力,容易發(fā)生震害。以往的模型振動臺試驗研究表明,厚板的上、下相鄰層結構出現明顯裂縫和混凝土剝落。另外,試驗還表明,在豎向荷載和地震力共同作用下,板不僅發(fā)生沖切破壞,而且可能產生剪切破壞,板內必須三向配筋。

從已設計的工程來看,帶有厚板轉換層的商住建筑,結構設計和施工都比較復雜,材料用量和造價都較高,而且抗震設計上的問題較多,目前還在進一步研究,所以采用這種結構形式要慎重對待。

三、梁式和桁架式轉換層

目前在結構設計中應用較多的轉換層主要結構形式有:梁式(墻梁式)、空腹桁架式、斜桿桁架式、箱形和板式等。其中梁式轉換層應用最為廣泛,它設計和施工簡單,受力明確,一般應用于底部大空間剪力墻結構體系中。轉換梁可沿縱向或橫向平行布置;當需要縱、橫向同時設置時,可采用雙向梁的形式進行結構布置。單向托梁、雙向托梁連同上、下層較厚的樓板共同工作,可以形成剛度很大的箱形轉換層。當上、下柱網軸線錯開較多,難以用梁直接承托上下結構布置的轉換時,則需將樓板做成厚板,形成板式轉換。板式轉換層的上下結構柱網可以進行靈活布置,毋需與上層結構對齊,但自重很大,且材料耗用較多。

(一)轉換層設計

從結構的傳力方式來看,轉換桁架具有傳力明確,傳力途徑清楚,但構造和施工復雜。另一方面,轉換桁架不僅使開洞與設置管道具有條件,而且它們的位置與大小都有很大的靈活性,使充分利用該轉換層的建筑空間成為可能。

(二)經濟指標

從經濟指標來看,采用轉換桁架其鋼材和混凝土的用量比采用轉換梁要經濟。表1為某建筑,建筑面積5萬m2,主體建筑地上35層,地下2層,為滿足建筑功能的要求在第6層設置轉換層。若采用轉換梁方案,其截面尺寸需1.4m×3.0m;若采用轉換桁架方案,各桿分別為1.0m×1.2m×1.0m。

(三)抗震性能

桁架轉換層的節(jié)間采用輕質建筑材料填充,有利于減輕結構的自重,而且轉換桁架的抗側力剛度比轉換梁要小,也就是說,具有桁架轉換層的高層建筑其質量和剛度的突變要比帶轉換梁的高層建筑緩和。因此,地震反應要比帶轉換梁的高層建筑要小得多。

四、結語

隨著國民經濟的發(fā)展,高層建筑蓬勃興起。在建筑結構設計當中,為滿足上下樓層不同建筑功能的要求,需在結構布置差異較大的樓層中間設置轉換層。轉換層的設置起到傳承上部結構荷載,保持結構穩(wěn)定的作用,是建筑結構中的重要部位,也是建筑施工中的重點和難點。其施工技術牽涉到力學、材料學、結構設計及工程管理學等多項學科,是一項極其復雜的系統(tǒng)工程。與此同時,高層建筑轉換層的施工技術已越來越成為工程界關注的課題。目前絕大多數高層建筑根據功能及結構的需要都設有轉換層。

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