高層土木建筑鋼筋混凝土梁式轉(zhuǎn)換層施工技術(shù)研究

林 亮

（中國鐵建國際集團(tuán)有限公司，北京100000）

由于高層建筑功能的豐富性，使得建筑內(nèi)往往存在不同類型的結(jié)構(gòu)形式，所以需要設(shè)置轉(zhuǎn)換層以滿足高層建筑空間和結(jié)構(gòu)形式變化的要求。近年來，轉(zhuǎn)換層在高層建筑中的重要地位正在凸顯，需要在施工中合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層，確保建筑的穩(wěn)定性。

1 轉(zhuǎn)換層的內(nèi)涵和特點(diǎn)

高層建筑由于融入了很多不同功能，有著功能多樣化的特點(diǎn)，不同的功能分布在同一條垂線上，多數(shù)布局是頂部為酒店、中部為寫字間、下層為大型商超和娛樂場所。針對不同功能樓層，都要使用不同類型的結(jié)構(gòu)形式以及軸線布置方式，建筑下層的大開間可以通過大柱網(wǎng)、少設(shè)墻實(shí)現(xiàn)；對于上部小開間，就要設(shè)置多墻體。建筑物的荷載會(huì)向下方集中，而建筑結(jié)構(gòu)的上部受力較小，因此正常情況下建筑的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是下方墻多，而上方柱網(wǎng)稀疏，并且墻少，但會(huì)和高層建筑的功能需求產(chǎn)生矛盾。為了確保建筑結(jié)構(gòu)能支撐多種功能，在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化的地方設(shè)置轉(zhuǎn)換層。

轉(zhuǎn)換層一般分為以下幾種情況：建筑上部為酒店，底層為門廳、會(huì)議廳等，剪力墻結(jié)構(gòu)為框架剪力墻，會(huì)將轉(zhuǎn)換層設(shè)置在大空間的頂板位置。高層建筑上部為剪力墻結(jié)構(gòu)住宅；下層為一層或者多層使用框架剪力墻結(jié)構(gòu)的商業(yè)用房，在結(jié)構(gòu)形式變化的地方設(shè)置轉(zhuǎn)換層。建筑結(jié)構(gòu)如果上下部機(jī)構(gòu)對齊但軸線并不重合，就要在軸線錯(cuò)開的位置專門設(shè)置轉(zhuǎn)換層。建筑的外圍為密柱筒體結(jié)構(gòu)，建筑的底層柱距增大，就需要在形成大入口時(shí)設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。

2 轉(zhuǎn)換層分類和設(shè)計(jì)影響因素

2.1 轉(zhuǎn)換層分類

2.1.1 根據(jù)轉(zhuǎn)換層實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換分類

上下層結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)換。上部為剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)換層會(huì)將上部剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為下部框架，在轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)時(shí)具有較大的自由空間。在這類建筑中，轉(zhuǎn)換層的上下結(jié)構(gòu)并沒有改變，但是上下建筑結(jié)構(gòu)為滿足功能需要改變柱間距離。

結(jié)構(gòu)和軸線同時(shí)轉(zhuǎn)變。有些高層建筑上下層的結(jié)構(gòu)形式不同，軸線位置也不同，需要在轉(zhuǎn)換層滿足變換要求。

2.1.2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

工程建設(shè)中，轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式比較多，目前包括梁式轉(zhuǎn)換層、箱式轉(zhuǎn)換層、板式轉(zhuǎn)換層、桁架式轉(zhuǎn)換層；根據(jù)跨數(shù)分類，轉(zhuǎn)換層包括單跨、雙跨和多跨；根據(jù)墻體形式分類，包括滿跨、開洞、不開洞、開窗洞等結(jié)構(gòu)。

2.1.3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式考慮因素

轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式需要綜合多方面因素確定，技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)以及對轉(zhuǎn)換層形式選擇的分析方法在結(jié)構(gòu)形式選擇上具有比較大的重要性。通過綜合分析受力、經(jīng)濟(jì)性等方面因素，確定轉(zhuǎn)換層對建筑結(jié)構(gòu)的影響。例如分析轉(zhuǎn)換層所承受的荷載、頂點(diǎn)在荷載影響下的位移、陣型、底部剪力、轉(zhuǎn)換層重質(zhì)量比等因素，分析轉(zhuǎn)換層的空間利用，房屋混凝土用量等等。表1為轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式選擇時(shí)的考慮內(nèi)容。

表1 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)選擇影響因素

2.2 梁式轉(zhuǎn)換傳力

實(shí)際工程建設(shè)中，需要結(jié)合梁的應(yīng)用形式、受力特點(diǎn)、轉(zhuǎn)換梁上部結(jié)構(gòu)的共同工作形式設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換梁的傳力方式。

2.2.1 柱網(wǎng)支撐轉(zhuǎn)換為墻承式

在這類建筑中，轉(zhuǎn)換層的上方結(jié)構(gòu)為墻承式，轉(zhuǎn)換層的梁體和墻體會(huì)共同承擔(dān)建筑的荷載，也被稱為墻梁結(jié)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由混凝土托梁和墻體構(gòu)成組合構(gòu)件，轉(zhuǎn)換層中墻體處于受壓狀態(tài)，轉(zhuǎn)換梁則處于偏心受拉狀態(tài)，構(gòu)成暗梁式結(jié)構(gòu)體系。由于建筑功能的特殊需要，墻體一般不會(huì)在轉(zhuǎn)換梁上滿跨布置，并且也會(huì)成為跨度的一部分。

2.2.2 大間距柱網(wǎng)轉(zhuǎn)換為小間距柱網(wǎng)

高層建筑的高度不斷提升，建筑功能也發(fā)生了變化，比如建筑的大間距柱網(wǎng)轉(zhuǎn)換為小間距柱網(wǎng)，支撐方式改變使得受力也出現(xiàn)明顯變化，轉(zhuǎn)換梁的位置會(huì)專門設(shè)置飛柱，并且由梁和梁柱框架共同承擔(dān)建筑的荷載。

2.3 轉(zhuǎn)換層施工特點(diǎn)

在高層建筑轉(zhuǎn)換層施工中需要注意兩個(gè)方面，這兩方面也是轉(zhuǎn)換層的主要特點(diǎn)。一個(gè)是轉(zhuǎn)換層通常在建筑主體的下部，由于承重荷載大，受力復(fù)雜，所以在設(shè)計(jì)上需要做到精準(zhǔn)分析，否則轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的不合理導(dǎo)致的損壞將帶來摧毀性的后果。另一個(gè)是轉(zhuǎn)換層自重大，由于承重荷載大，地震反應(yīng)強(qiáng)烈，所以在施工中鋼材用量大、剛度大，重量也較一般樓層顯著加大。轉(zhuǎn)換層由于結(jié)構(gòu)特殊所以自重大，因此使用時(shí)必須做好對模板支撐方案的設(shè)計(jì)。由于建筑施工具有動(dòng)態(tài)化的特征，因此由于施工過程中轉(zhuǎn)換層所受荷載始終在改變，為保證轉(zhuǎn)換層的穩(wěn)定性，需要計(jì)算荷載并確定支撐方案。在進(jìn)行大體積混凝土轉(zhuǎn)換層施工時(shí)，混凝土施工過程中需要減少混凝土的水化熱，避免新澆筑的混凝土出現(xiàn)溫度裂縫。

3 梁式轉(zhuǎn)換層受力性能分析

3.1 轉(zhuǎn)換大梁受力特點(diǎn)

混凝土梁式轉(zhuǎn)換層在高層建筑中屬于比較特殊的結(jié)構(gòu)，必須嚴(yán)格進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工，做好對轉(zhuǎn)換層內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力情況分析，做好對整個(gè)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的分析和計(jì)算工作。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)和普通梁結(jié)構(gòu)相比，會(huì)承受更為集中的應(yīng)力，或者懸掛下部會(huì)承受多層重力，導(dǎo)致大梁的內(nèi)部應(yīng)力比較大，因此需要加強(qiáng)豎向荷載設(shè)計(jì)。垂直荷載下，內(nèi)部應(yīng)力和施工順序有關(guān)，所以進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)，也要考慮大量和若干層結(jié)構(gòu)共同工作時(shí)的狀況，根據(jù)內(nèi)應(yīng)力的變化采取有效措施進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。由于轉(zhuǎn)換層的大梁一般有比較大的跨度，因此必須嚴(yán)格進(jìn)行豎向撓度的控制；必須保證建筑的轉(zhuǎn)換層具有足夠的剛度，使得轉(zhuǎn)換層一般有比較大的結(jié)構(gòu)高度和自重。

3.2 梁式轉(zhuǎn)換層在荷載作用下的受力情況

3.2.1 轉(zhuǎn)換層梁和梁柱框架同時(shí)受力

對于此類情況，豎向荷載作用可以簡化為施工階段和實(shí)用階段兩種情況。在施工階段，結(jié)構(gòu)的荷載會(huì)隨著施工過程中樓層的增加而增加，逐漸增層之后轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)換梁作為下弦剛性梁的特殊框架式桁架。進(jìn)入實(shí)用階段，轉(zhuǎn)換層梁承受豎向荷載，以結(jié)構(gòu)的二期恒載和活載為主。豎向作用下的轉(zhuǎn)換層梁和梁柱框架共同受力，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，受力可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換，而框架剪力墻結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的變化與其他結(jié)構(gòu)相同。

由圖1可以看出，剪力墻結(jié)構(gòu)主要依靠剪力墻抗側(cè)力，水平力將會(huì)在各片剪力墻上均勻分配。框架結(jié)構(gòu)和豎向懸臂梁有相似的特點(diǎn)，當(dāng)受到外力彎曲時(shí)就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟行停患兛蚣荏w系受側(cè)力時(shí)，所有框架的受力曲線都是相似的。

圖1 水平力在剪力墻和框架之間的分配

3.2.2 轉(zhuǎn)換層梁支撐墻體受力

目前梁柱結(jié)構(gòu)構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)體系中，計(jì)算簡圖中的支撐條件會(huì)根據(jù)梁和柱的線性抗彎剛度比確定，如果主梁和柱之間的線剛度比為3以上，就以鉸支撐連續(xù)梁計(jì)算簡圖進(jìn)行受力的計(jì)算；如果主梁和柱之間的線剛度比在3以內(nèi)，按照梁柱固接節(jié)點(diǎn)框架計(jì)算。對于帶轉(zhuǎn)換層的梁柱結(jié)構(gòu)，梁支撐具有比較高的荷載，而且梁高也比較高，會(huì)在一層樓高的基礎(chǔ)上再加上常規(guī)框架梁，構(gòu)成強(qiáng)梁弱柱體系。

4 模板及支架施工要點(diǎn)

4.1 斜撐施工

工程施工中，所有的斜撐桿都需要角度在45°以內(nèi)，保證梁底斜撐和梁底模板之間協(xié)調(diào)。斜撐上端應(yīng)使用雙扣件滑移保險(xiǎn)，對斜桿制成的下支點(diǎn)，其主柱面需要設(shè)置短筋凹槽，梁底的斜撐支架需要和梁的下排架同時(shí)搭設(shè)，如果由于施工情況導(dǎo)致不能同時(shí)搭設(shè)，應(yīng)該控制施工順序，保證鋼筋骨架完成搭設(shè)之后再就位，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐架和排架受力同步。使用斜桿支撐的位置，應(yīng)該采用扣接的方式，以及保證和樓層滿堂架連體。

4.2 立桿、掃地桿施工要點(diǎn)

施工時(shí)，需要保證立桿上端和梁底的內(nèi)楞、外楞之間分別扣接，通過雙扣件有效控制滑移。梁下排架設(shè)置掃地桿，中間設(shè)置兩道橫桿，并在梁底排架兩側(cè)橫向設(shè)置斜撐。

4.3 鋼管支撐要點(diǎn)

施工過程中，模板支架上的荷載極高，為避免坍塌事故，應(yīng)優(yōu)先考慮使用鋼管碗扣腳手架支撐，避免出現(xiàn)損失。在排架三位間距滿足要求的情況下，依然需要使用附加措施保證工程的穩(wěn)定性，比如對轉(zhuǎn)換區(qū)邊緣的框架柱、剪力墻承擔(dān)一部分荷載，中間部分用鋼管和柱鎖緊。

4.4 縱向水平桿構(gòu)造設(shè)計(jì)

工程的縱向水平桿應(yīng)該在立桿內(nèi)側(cè)設(shè)置，長度應(yīng)該控制在3跨以內(nèi)，縱向水平桿接長應(yīng)該使用對接件進(jìn)行連接，也可以使用搭接的方式。接扣需要交錯(cuò)布置，所以兩根相鄰縱向水平桿應(yīng)該設(shè)置在不同的跨內(nèi)，對于不同步、不同跨的相鄰接頭，水平方向的錯(cuò)開距離需控制在500mm以上。

5 工程實(shí)例

5.1 工程概況

某市圖書館建筑總面積為31412m2，結(jié)構(gòu)包括主樓和裙樓，建筑總高度為86m，包括地上21層和地下1層。建筑的第7層是建筑結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層，其中包括多種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換梁（如圖2）。

圖2 某市圖書館工程圖

5.2 工程施工順序

工程施工中，先完成第5層、第6層梁板支撐工作，完成施工后檢查牢靠性能否滿足要求，開展定位放線和標(biāo)高投測工作；完成柱、核心筒鋼筋綁扎，安裝模板，向大梁底澆筑柱、核心筒混凝土；綁扎轉(zhuǎn)換梁鋼筋，完成轉(zhuǎn)換梁側(cè)的模板安裝，進(jìn)行轉(zhuǎn)換梁澆筑工作；綁扎板鋼筋，澆筑轉(zhuǎn)換梁上部、轉(zhuǎn)換層樓板混凝土；在混凝土都滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求之后，自上而下將各層支撐拆除。

5.3 轉(zhuǎn)換層施工設(shè)計(jì)

根據(jù)工程特點(diǎn)進(jìn)行了支撐方式的設(shè)計(jì)（如圖3）：在不拆除第6層模板和支撐的情況下進(jìn)行框架支撐的加固，在第6層框架梁下設(shè)置一道支撐，和梁的間距600mm；第5層采用同樣方法施工，第4層在適當(dāng)位置假設(shè)支撐桿，提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對于第7層轉(zhuǎn)換梁支撐直接在第6層樓板開始發(fā)揮作用，利用工字鋼傳遞荷載。

圖3 5層6層支撐設(shè)計(jì)

通過使用有限元分析，確定該施工能夠滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，可以確保轉(zhuǎn)換梁為一階段受力疊合式受彎構(gòu)件，能夠確保結(jié)構(gòu)的總體受力性能。

5.4 轉(zhuǎn)換層質(zhì)量控制

為了確保轉(zhuǎn)換層質(zhì)量，施工過程中必須保證所有原料驗(yàn)收后入庫，鋼筋等材料必須通過抽檢之后才能使用；日常工作中需要加強(qiáng)對機(jī)具、混凝土泵的維修和養(yǎng)護(hù)工作，保證施工過程中設(shè)備的完好性。安裝支撐轉(zhuǎn)換梁時(shí)必須全程監(jiān)督，如果安裝的轉(zhuǎn)換梁高度超過1m，必須使用雙扣件固定提升橫桿和立桿承受能力，避免轉(zhuǎn)換梁受力變形。

6 結(jié)束語

高層建筑的功能逐漸增多，為確保高層建筑的功能的實(shí)現(xiàn)，確保建筑的安全，就必須做好對高層建筑轉(zhuǎn)換層的施工和設(shè)計(jì)工作。施工人員和設(shè)計(jì)人員需充分了解轉(zhuǎn)換層的特性，全面研究不同轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式對建筑總體結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)和施工流程，保證轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，確保高層建筑建設(shè)順利進(jìn)行。