大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

袁用道,祁廣周，曹青山

(1.湖北民族學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)系，湖北 恩施 445000;2.中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司，湖北 武漢 430000；3.武漢大學(xué) 土木建筑學(xué)院，湖北 武漢 430072)

近年來，高層建筑的發(fā)展很快，結(jié)構(gòu)體形和類型越來越復(fù)雜.建筑功能實(shí)現(xiàn)了多樣化，不是單一的住宅樓、辦公樓或是商業(yè)樓，而是集辦公、住宅、商業(yè)、文化娛樂為一體.這對結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，就需要在結(jié)構(gòu)功能轉(zhuǎn)換的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換層.

1 轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)分為三種：第一種是上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)類型不同；第二種是上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)的軸線位置和柱子位置不同；第三種是上層結(jié)構(gòu)和下層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式和軸線都發(fā)生了變化[1].

2 梁式轉(zhuǎn)換層的主要結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)點(diǎn)

梁式轉(zhuǎn)換層主要的傳力途徑是上層的柱子或墻傳遞給轉(zhuǎn)換層，實(shí)際工程應(yīng)用中轉(zhuǎn)換梁的分類方式較多：根據(jù)跨數(shù)不同分為單跨、雙跨和多跨轉(zhuǎn)換梁；根據(jù)上部墻體的布置方式不同，分為開洞和不開洞、滿跨和不滿跨；根據(jù)轉(zhuǎn)換梁所承受的上部荷載形式不同可分為托梁和托柱；根據(jù)轉(zhuǎn)換梁材料不同可分為鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼結(jié)構(gòu)和鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁等.

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中多采用梁式轉(zhuǎn)換層進(jìn)行垂直方向的結(jié)構(gòu)布置轉(zhuǎn)換，與其它轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式相比較，梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)[2]:

(1)結(jié)構(gòu)受力及設(shè)計(jì)方面

板式轉(zhuǎn)換層的設(shè)置雖然有利于上部結(jié)構(gòu)的布置，但是我們在設(shè)計(jì)板式轉(zhuǎn)換層時(shí)，會(huì)加大板的厚度，因此其受力情況比較復(fù)雜，目前對厚板的力學(xué)分析還不能做到很準(zhǔn)確.桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)雖然傳遞力徑明確清楚，但是構(gòu)造形式相對復(fù)雜且設(shè)計(jì)及施工的難度很大.而梁式轉(zhuǎn)換層傳遞力徑直接、明確，力學(xué)分析和設(shè)計(jì)相對比較簡單；轉(zhuǎn)換梁受力性能良好，構(gòu)造簡單而且施工不需要采取專門的措施[3].

圖1 轉(zhuǎn)換梁計(jì)算簡圖

(2)工程造價(jià)方面

板式轉(zhuǎn)換層在力學(xué)分析時(shí)要考慮到抗剪和抗沖切，在設(shè)計(jì)時(shí)不但要滿足承載力需要，還得對正常使用極限狀況進(jìn)行校核，尤其是裂縫的控制情況.在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換板時(shí)其厚度一般可達(dá)2.0～2.8 m，一般情況下板厚僅為80～150 mm，僅混凝土這一項(xiàng)工程造價(jià)就提高了20～25倍，加上鋼筋用量的增加，其單位工程造價(jià)相當(dāng)高[4].而梁式轉(zhuǎn)換層中轉(zhuǎn)換梁常用的截面高度是1.6～4.0 m，只有在特殊情況下才采用較大的截面4.0～8.2 m，其混凝土用量提高的不是很大，與板式轉(zhuǎn)換層相比較其經(jīng)濟(jì)性能較好.

3 預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)的受力分析

3.1 轉(zhuǎn)換梁工作特性

轉(zhuǎn)換梁主要是承受上部墻體或柱子傳遞下來的豎向荷載，通過對轉(zhuǎn)換梁與上部墻體的共同工作特性進(jìn)行分析(見圖1)，得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)轉(zhuǎn)換梁上部墻體考慮三層時(shí)，其計(jì)算精度己滿足要求，在確定此類計(jì)算模型時(shí)上部墻體可取三層.

(2)轉(zhuǎn)換梁上部墻體開洞情況對其內(nèi)力計(jì)算結(jié)果有較大的影響，但不影響轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)的計(jì)算精度，即墻體開洞情況與計(jì)算模型的選取關(guān)系不大.

(3)轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力計(jì)算中考慮下部結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力特征的影響時(shí)取下部結(jié)構(gòu)一層比較合適[5].

3.2 所施加預(yù)應(yīng)力對轉(zhuǎn)換梁工作的影響

在預(yù)應(yīng)力技術(shù)已經(jīng)很成熟的今天，通過施加預(yù)應(yīng)力來減小梁高得到了普遍應(yīng)用，同時(shí)還能提高轉(zhuǎn)換梁的其他性能，如提高轉(zhuǎn)換梁的開裂性能、可以通過使用高強(qiáng)鋼筋來減小鋼筋用量降低梁的自重等等[6].

轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)多為超靜定結(jié)構(gòu)，在超靜定結(jié)構(gòu)中，張拉節(jié)點(diǎn)上的某一構(gòu)件或幾根構(gòu)件時(shí)，節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的變形受到與之相聯(lián)系的其它構(gòu)件或支座的約束，這種約束在結(jié)構(gòu)中能引起次內(nèi)力的產(chǎn)生.次內(nèi)力對上部框架結(jié)構(gòu)的影響是很大的，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮使用階段整體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換梁的實(shí)際受力情況[7].

4 預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)造要求

預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)造要求有[8]：

(2)轉(zhuǎn)換梁不宜開洞，如必須開洞時(shí)，洞口宜位于梁中和軸附近；

(3)轉(zhuǎn)換梁的混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C30；

(4)轉(zhuǎn)換梁上、下主筋的最小配筋率，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)為0.30%，抗震設(shè)計(jì)時(shí)，特一、一和二級分別不應(yīng)小于0.60%、0.50%和0.40%；

(5)偏心受拉的框支梁，其支座上部縱向鋼筋至少應(yīng)有50%沿梁全長貫通，下部縱向鋼筋應(yīng)全部直通到柱內(nèi)；沿梁高應(yīng)配置間距不大于200 mm、直徑不小于16 mm的腰筋，腰筋的配筋量一般不小于0.3%bh0；

(6)框支梁支座處(離柱邊1.5倍梁截面高度范圍內(nèi))箍筋應(yīng)加密，加密區(qū)箍筋直徑不應(yīng)小于10 mm，間距不應(yīng)大于100 mm.加密區(qū)箍筋最小面積含箍率，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于0.9ft/fyv；抗震設(shè)計(jì)時(shí)，特一、一和二級分別不應(yīng)小于1.3ft/fyv、1.2ft/fyv和1.1ft/fyv；

(7)轉(zhuǎn)換梁中縱向鋼筋宜采用機(jī)械連接，同一截面內(nèi)接頭鋼筋截面面積不應(yīng)超過全部縱筋截面面積的50%，接頭位置應(yīng)避開上部墻體開洞部位、梁上托柱部位及受力較大的部位.

圖2 轉(zhuǎn)換梁的支撐加固圖

5 預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁的施工

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中常用的預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換梁通常截面尺寸大、跨度大、采用預(yù)應(yīng)力施工，不可避免地給了施工造成了一定的難度；為保證轉(zhuǎn)換構(gòu)件的施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的安全性，在施工之前要從模板支撐系統(tǒng)的受力分析、預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁的施工溫度和裂縫控制和預(yù)應(yīng)力對轉(zhuǎn)換梁的影響這三個(gè)方面制定技術(shù)方案[9].

以武漢廣播電視中心為例進(jìn)行分析：武漢廣播電視中心西區(qū)大樓建筑面積為74 462 m2，其結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土框架—筒體剪力墻結(jié)構(gòu)，主樓30層，其中地下室兩層為停車場，局部區(qū)域?yàn)橐粚釉O(shè)備用房，裙樓5～6層，塔樓24層為辦公用房，塔樓上部為8層鋼結(jié)構(gòu)功能用房，頂部為直升機(jī)停機(jī)坪.四樓樓面轉(zhuǎn)換層大梁截面尺寸1 000×2 000 mm，為保證大梁的澆筑質(zhì)量和模板支架的安全，支模前要對其模板進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，并對其支架的承載力進(jìn)行驗(yàn)算，按驗(yàn)算結(jié)果確定支架的搭設(shè)方法.

5.1 模板及支架搭設(shè)方案

模板采用8 mm厚竹膠合模板，底模及側(cè)模的背楞均采用50×100木方，木方順梁長方向設(shè)置，窄面貼模板，支撐系統(tǒng)采用Φ48×3.5鋼管扣件系統(tǒng)，并輔以16號普通槽鋼作墊腳，使大梁的荷載能基本傳遞到下層的梁上，對拉螺栓使用Φ16鋼筋制作.支架設(shè)置5排立桿，排距30 cm，縱距50 cm，在立桿底部橫向設(shè)置16號槽鋼墊腳，槽鋼的開口向上，使同一橫排的立桿立在一根槽鋼中(槽鋼的長度不僅要考慮立桿的橫向?qū)挾?，還要兼顧以后作為框架柱箍的長度)；大橫桿同樣設(shè)置5根，步距1.25 m；承托底模的小橫桿間距為30 cm，其余連接立桿的小橫桿間距與立桿間距同為50 cm，并且小橫桿應(yīng)連接在大橫桿和立桿的連接點(diǎn)處.立桿必須使用對接桿件接長，不允許采用搭接方式接長.為了保證架體的穩(wěn)固性，在架體縱橫方向上間距3 m設(shè)置剪刀撐或斜撐.梁底模下設(shè)置6根5×10 cm木方作為背楞，安置時(shí)要注意將木方的接頭相互錯(cuò)開，并且在木方的接頭處兩邊10 cm內(nèi)都應(yīng)設(shè)置有小橫桿.

5.2 梁下結(jié)構(gòu)的支撐加固

在二至三層相應(yīng)梁下增加鋼管腳手架密度，增設(shè)兩排立桿，立桿縱向間距為50 cm，將原有的兩排立桿的縱向間距也加密至50 cm，且立桿接長頂至梁邊的板底，并將立桿使用橫桿牢固連接.模板的搭設(shè)示意圖如圖2所示.

5.3 模板支架的驗(yàn)算

(1)計(jì)算所需常數(shù)

根據(jù)JGJ130-2001查得Φ48×3.5鋼管的計(jì)算常數(shù)

A=4.89 cm2，I=12.19 cm4，i=1.58 cm，f=205 N/mm2，E=2.06×105N/mm2

根據(jù)《建筑施工手冊》查得木方的計(jì)算常數(shù)

fm=13 N/mm2，E=9 000 N/mm2，W=83.3 cm3，I=417 cm4，fV=1.4 N/mm2

(2)荷載統(tǒng)計(jì)：

按《建筑施工手冊》表17-81中荷載組合表

底模自重

(6×0.05×0.1+0.01×0.6)×5×1.2=0.22 kN/m

混凝土自重

24×0.6×2×1.2=34.56 kN/m

鋼筋自重

1.5×0.6×2×1.2=2.16 kN/m

振搗混凝土荷載

2×0.6×1.2=1.44 kN/m

合計(jì)

q=38.38 kN/m

為了使模板體系趨于安全，荷載不予折算.

(3)底模驗(yàn)算

①抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

底模下的小橫桿間距為0.3 m，是一個(gè)等跨多跨連續(xù)梁，考慮木方長度較短及接頭，按四等跨計(jì)算.

按最不利荷載布置查得：彎矩系數(shù)：kM=0.121，剪力系數(shù)：kV=0.620，橈度系數(shù)kW=0.967.

則M=kMql2=-0.121×38.4×0.33=-0.1255kN·M

抗彎承載力符合要求.

②抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

V=Kvql=-0.620×38.4×0.3=7.1424 kN

③撓度驗(yàn)算

荷載不包括振搗混凝土荷載，則q=36.98 kN/m

撓度滿足要求.

④支架立桿的驗(yàn)算

一般可直接按立桿的穩(wěn)定性控制.在鋼管對接的情況下，本支架的立桿允許荷載為[N]=35.7 kN.

查得軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)φ=0.728

立桿穩(wěn)定性驗(yàn)算如下：

立桿穩(wěn)定性滿足要求.

6 結(jié)論

通過以上分析可以看到：轉(zhuǎn)換梁和上、下部結(jié)構(gòu)有明顯的共同工作特性，尤其是轉(zhuǎn)換梁下部層數(shù)的多少即下部結(jié)構(gòu)的剛度對轉(zhuǎn)換梁的內(nèi)力影響較大，選取的不恰當(dāng)，會(huì)使轉(zhuǎn)換梁支座內(nèi)力偏大，跨中彎矩偏小.轉(zhuǎn)換梁剛度過大會(huì)引起上部結(jié)構(gòu)在卸載時(shí)，反拱過大，甚至使混凝土開裂；剛度過小，會(huì)使與轉(zhuǎn)換梁相連的柱子彎曲過大，柱子中最大軸力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換梁上層的柱底，上部連續(xù)梁有撓度的支座負(fù)彎矩減小，無撓度的支座負(fù)彎矩加大.因此在設(shè)計(jì)中要根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)選擇合適類型的轉(zhuǎn)換梁，綜合考慮荷載、剛度、撓度產(chǎn)生的影響.

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