高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工*

毛慧峰

(中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司 太原 030000)

結(jié)合我國(guó)當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況來(lái)看,絕大部分的高層建筑會(huì)迎合區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及民生建設(shè)需求,上層結(jié)構(gòu)作為住宅或旅館,中部則為辦公區(qū)域,底部的空間更為寬闊,通常為餐飲或娛樂(lè)場(chǎng)所。這種類型的高層建筑在墻體結(jié)構(gòu)以及空間布局方面,需要考慮不同樓層的受力情況,因此設(shè)置轉(zhuǎn)換層能夠緩解高層建筑受力不均的問(wèn)題,對(duì)于提升建筑安全性和穩(wěn)定性有一定促進(jìn)作用,而轉(zhuǎn)換層本身的設(shè)計(jì),也需要關(guān)注質(zhì)量和穩(wěn)定性方面的問(wèn)題。

1 高層建筑轉(zhuǎn)換層的理論概述

由于高層建筑為了迎合不同領(lǐng)域的實(shí)際需求,上、中、下選擇了3種不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。下部結(jié)構(gòu)大部分為娛樂(lè)、休閑、餐飲空間為主,建筑內(nèi)部的墻體、支撐柱相對(duì)較少;中部則為辦公區(qū)域,內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)大多數(shù)為中等大小,空間劃分規(guī)范性較強(qiáng),需要滿足常規(guī)的人員辦公需求以及日常會(huì)議需求,相對(duì)于下層結(jié)構(gòu)來(lái)講,中部結(jié)構(gòu)的支柱結(jié)構(gòu),以及墻體較為密集;上層結(jié)構(gòu)大部分為民用住宅、快捷酒店、旅館,這種類型的空間,在劃分的過(guò)程中考慮了常規(guī)住宅的設(shè)計(jì)需求,墻體和支柱較為密集,在空間劃分方面靈活性較強(qiáng)[1]。

以上這種控件設(shè)計(jì)方案,在當(dāng)前絕大部分高層綜合性建筑中應(yīng)用得較為廣泛,但也導(dǎo)致了不同的空間結(jié)構(gòu)受力情況、承重能力有較大差異,為了進(jìn)一步滿足整體建筑為轉(zhuǎn)換層,來(lái)緩解其中受力不均導(dǎo)致的各項(xiàng)問(wèn)題。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大差異,首先轉(zhuǎn)換層需要承受上下結(jié)構(gòu)的集中荷載,上層結(jié)構(gòu)給予的豎向荷載以及下層結(jié)構(gòu)的多層荷載,會(huì)直接集中在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上。因此該結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性、剛度必須滿足實(shí)際要求[2];其次,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)跨度通常較大,這就要求內(nèi)部構(gòu)件要有較強(qiáng)的撓度;再次,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的功能性較為復(fù)雜,在施工的過(guò)程中往往會(huì)存在較多難題,因此進(jìn)行施工期間的細(xì)節(jié)把控是轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重。

2 高層建筑轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)形式分析

隨著我國(guó)社會(huì)發(fā)展水平的逐步提升,綜合性高層建筑的數(shù)量也在不斷增加,不同的建筑工程,在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要滿足不同需求,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu),自身的設(shè)計(jì)也在應(yīng)需求不斷進(jìn)行調(diào)整,因此出現(xiàn)了多種類型的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式,也能夠起到不同的應(yīng)用效果。

2.1 箱式形式

箱式形式是當(dāng)前較為普遍的建筑結(jié)構(gòu),施工難度較低,在高層建筑轉(zhuǎn)換層施工中有著較為明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。同時(shí)該種類型的轉(zhuǎn)換層可以與建筑的整體規(guī)劃融為一體,不僅可以提升空間優(yōu)化的質(zhì)量,還能夠滿足常規(guī)的承載力設(shè)計(jì)需求,保證建筑工程的整體質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。但是該種類型的轉(zhuǎn)換層在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要投入更多資金,與承建單位本身的實(shí)力以及建筑工程后續(xù)的經(jīng)濟(jì)效益有一定關(guān)聯(lián)[3]。

2.2 梁式形式

梁式轉(zhuǎn)換層但結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,前期預(yù)算成本較低,對(duì)于當(dāng)前絕大部分的高層建筑都有適配性。在施工過(guò)程中難度較低,能夠提升施工效率,也可以維持原有的施工進(jìn)度控制計(jì)劃。但是該種類型的轉(zhuǎn)換層很難承受更大的承載力,對(duì)于高層建筑的層數(shù)有一定要求,若上部結(jié)構(gòu)的承重力較高,不宜采取梁式轉(zhuǎn)換層。

2.3 桁架式形式

桁架轉(zhuǎn)換層能夠?qū)⒏邔咏ㄖ母鱾€(gè)功能區(qū)進(jìn)行連接,該種類型的轉(zhuǎn)換層具備更強(qiáng)的整體性以及系統(tǒng)性,這是在高層建筑中應(yīng)用的核心優(yōu)勢(shì),能夠降低附屬性設(shè)施施工的難度,比如為管道施工提供更加便捷的系統(tǒng);抗震能力較強(qiáng),在長(zhǎng)期使用之后,依舊可以維持著較好的效果,后期不需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力進(jìn)行維護(hù)[4]。但設(shè)計(jì)難度較大,對(duì)于工程進(jìn)度造成一定影響,同時(shí)要求設(shè)計(jì)人員和施工人員有著更高的水平。

高層建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要同步滿足承載力、空間轉(zhuǎn)換、功能分區(qū)配置的需求,還需要與高層建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的其他附屬性工程進(jìn)行對(duì)接,要提升整體工程的綜合質(zhì)量,還需要為工程綜合效益的提升奠定基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合建筑工程的實(shí)際情況,合理地設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的形式,從而提升工程的整體質(zhì)量。

3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用案例及細(xì)節(jié)分析

為了進(jìn)一步提升文章論述的科學(xué)性和有效性,本文建立在具體案例的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)節(jié)分析,圍繞著高層建筑施工設(shè)計(jì)的具體需求,明確轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工期間的典型細(xì)節(jié),確保能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供參考。

3.1 工程概況

某工程作為商業(yè)中心綜合高層建筑,總建筑面積約為3萬(wàn)m2,工程高度64.8 m,地下兩層,地上18層。整體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu);工程安全等級(jí)為二級(jí),使用年限為50年。

綜合該工程當(dāng)前的規(guī)劃情況來(lái)看,主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近竣工,為了滿足建筑不同空間的功能需求,在工程的7～9層取消了支柱,為了承托上層結(jié)構(gòu),同時(shí)作為下部第7層的銜接在8層以及9層設(shè)置了轉(zhuǎn)換桁架,結(jié)合其功能劃分成了兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)換桁架A、B負(fù)責(zé)承載第11層以及第10層的荷載,轉(zhuǎn)換桁架A 的下方懸掛了兩個(gè)框架柱,負(fù)責(zé)吊住第7層。兩個(gè)轉(zhuǎn)換桁架之間的距離設(shè)計(jì)為15.6 m,高度選擇3.6 m,坐落在兩側(cè)的同方向筒體墻上,轉(zhuǎn)換桁架框架和墻體內(nèi)的內(nèi)置鋼筋骨架進(jìn)行連接。由于受到施工的影響,在電梯門處進(jìn)行了構(gòu)造加強(qiáng),來(lái)滿足整體結(jié)構(gòu)剛度的需求。

3.2 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與細(xì)節(jié)把控

3.2.1 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案分析

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的整體方案之前,針對(duì)建筑工程的具體形式進(jìn)行了分析,初步考慮了采用混凝土墻、轉(zhuǎn)換大梁等方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。但是該種方法所形成的轉(zhuǎn)換層和下層之間依舊存在剛度突變,難以符合建筑工程的整體規(guī)劃需求,過(guò)大的剛度不僅會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力情況不穩(wěn),在地震多發(fā)的環(huán)境下,墻體也很容易出現(xiàn)彈塑性和塑性階段的應(yīng)力分布不規(guī)律且延性較差。

因此通過(guò)前期的工程試驗(yàn)和可視化模擬,確定了使用桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),尤其利用鋼制的轉(zhuǎn)換桁架可以進(jìn)一步解決剛度分布不均勻的問(wèn)題,也可以提升建筑空間利用效率,明確具體的受力狀態(tài),且自重較小,對(duì)于整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提升有較強(qiáng)促進(jìn)作用[5];也可以消除鋼筋混凝土桁架容易出現(xiàn)剪切脆性破壞的隱患。確定了初步設(shè)計(jì)方案之后,建立在建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行細(xì)節(jié)計(jì)算,能夠得到鋼桁架的內(nèi)力、計(jì)算中采用既能考慮面內(nèi)剛度、面外剛度的殼單元,通過(guò)可視化模擬的方式打造了工程立體可視化模擬圖,計(jì)算了轉(zhuǎn)換層的水平,雙向地震作用以及豎向地震作用,考慮施工期間對(duì)于上下框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,還針對(duì)整體結(jié)構(gòu)的彈性動(dòng)力時(shí)程進(jìn)行了分析,確定整體轉(zhuǎn)換層能夠?yàn)楦邔咏ㄖ姆€(wěn)定性提升奠定基礎(chǔ)。

3.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)定

轉(zhuǎn)換層的高度確定之后需要選取桁架桿件截面,能夠滿足轉(zhuǎn)換層自身高度以及承載力設(shè)計(jì)需求。綜合考慮地震反應(yīng)、結(jié)構(gòu)豎向剛度問(wèn)題,重新分析了上部支撐結(jié)構(gòu)的沉降問(wèn)題,為了避免次應(yīng)力的出現(xiàn),通過(guò)多項(xiàng)對(duì)比確定了最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)。上弦桿翼緣寬度300 mm、柱寬600 mm,柱縱筋繞過(guò)翼緣彎折錨固到框架梁結(jié)構(gòu)上,能夠避免二者之間的連接問(wèn)題,同時(shí)也可以保證后續(xù)混凝土澆筑的綜合質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。最終,上弦桿截面參數(shù):H600×300×20×30,下弦桿截面參數(shù):H700×300×20×30,端部斜腹桿截面參數(shù):H600×300×20×30,中間斜腹桿和直腹桿:H400×300×16×20,材質(zhì)均選擇Q345C焊接工字鋼截面。

3.2.3 受力情況的計(jì)算

從理論角度來(lái)講,轉(zhuǎn)換層的受力情況需要考慮混凝土柱的實(shí)際配筋量、鋼桁架腹桿受剪承載力的總和。但是本工程的轉(zhuǎn)換桁架將兩端固定在了建筑結(jié)構(gòu)的混凝土剪力墻上,在施工的過(guò)程中,對(duì)于混凝土墻體的允許變形較小,而轉(zhuǎn)換桁架想要達(dá)到受剪承載力需要很大的變形,通常為墻體開(kāi)裂變形的三倍以上,同時(shí)鋼制的轉(zhuǎn)換桁架自身承載力有著更多的安全富余度,在未達(dá)到承載力極限之前,兩端的混凝土出現(xiàn)局部開(kāi)裂的情況較大。為了造成不必要的資源浪費(fèi),本工程針對(duì)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的下層兩側(cè)墻體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng),通過(guò)水平配筋的方式,將其受剪承載力之比調(diào)整為0.67,在滿足常規(guī)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,又增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)的承載力,能夠滿足實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。

3.3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.3.1 抗震設(shè)計(jì)

由于本工程位于地震多發(fā)的地區(qū),為了進(jìn)一步提升工程的穩(wěn)定性,增強(qiáng)轉(zhuǎn)換層自身的剛度,針對(duì)轉(zhuǎn)換層進(jìn)行了抗震加強(qiáng)。首先,所有和轉(zhuǎn)換桁架相連的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行部位配筋,提升墻體的穩(wěn)固性。在轉(zhuǎn)換桁架的上下弦桿的上表面與混凝土樓板之間設(shè)置了栓釘,確保樓面水平力也可以在轉(zhuǎn)換層中順利傳遞。其次,針對(duì)轉(zhuǎn)換層上下的樓板進(jìn)行適當(dāng)加厚,并且配置雙層雙向鋼筋,配件率控制在0.3%以上[6]。依托信息技術(shù)利用可視化模擬的方式,確定了轉(zhuǎn)換層和上下樓層樓板之間的受力情況,結(jié)合應(yīng)力分布情況進(jìn)行區(qū)域加強(qiáng)。再次,轉(zhuǎn)換層制作內(nèi)部設(shè)置了型鋼結(jié)構(gòu),與抗震墻之間保持300 mm 的對(duì)接深度,且確保墻體內(nèi)部的鋼筋骨架與轉(zhuǎn)換桁架的隔板相連。在水平力作用下,轉(zhuǎn)換桁架這兩端與混凝土結(jié)構(gòu)之間保持整體,不會(huì)輕易脫離。

3.3.2 連接構(gòu)造的設(shè)計(jì)

在本次施工的過(guò)程當(dāng)中,鋼骨混凝土最大的施工難題在于框架梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的施工,由于框架梁的主筋穿越了鋼骨柱,在施工的過(guò)程中容易受到多方影響,若處理不妥當(dāng),受力關(guān)鍵位置可能會(huì)成為薄弱位置。等工程在前期設(shè)計(jì)的過(guò)程中,從施工技術(shù)角度進(jìn)行了創(chuàng)新。鋼骨柱翼緣相交的混凝土框架梁與鋼骨的連接方法,主要利用鋼筋主筋與鋼牛腿翼緣板相焊接的方式,與腹板相交的混凝土框架梁,則利用了縱筋穿過(guò)腹板或繞過(guò)翼緣,確保上弦節(jié)點(diǎn)與上部柱的中心對(duì)齊,進(jìn)一步降低面外受力的概率,能夠讓所有的應(yīng)力集中在轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)上。這些連接方式進(jìn)一步解決了混凝土梁板柱和型鋼之間的連接問(wèn)題,能夠?yàn)檎w工程的穩(wěn)定性和整體性提升奠定基礎(chǔ),又可以最大化轉(zhuǎn)換層的價(jià)值。

3.4 施工細(xì)節(jié)把控

在具體施工的過(guò)程中為了提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性,需要把控其中的重難點(diǎn)問(wèn)題。

首先,在支護(hù)與拆模方面,原有的設(shè)計(jì)方案是主體結(jié)構(gòu)完成施工結(jié)束之后將支撐鋼桁架的腳手架拆除,但是這對(duì)于下部結(jié)構(gòu)的非主體施工會(huì)造成影響,也會(huì)額外增加一部分施工費(fèi)用。后續(xù),在實(shí)際施工的過(guò)程中調(diào)整為,在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到100%之后更可以拆除腳手架,上部結(jié)構(gòu)的荷載集中由轉(zhuǎn)換桁架承擔(dān)[7]。實(shí)踐證明利用這樣的方式也能夠充分滿足實(shí)際施工要求。其次,懸掛柱的設(shè)計(jì)對(duì)于下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性將產(chǎn)生最直接影響。為了避免豎向位移導(dǎo)致懸掛柱的穩(wěn)定性下降,避免帶來(lái)的次應(yīng)力,在懸掛柱中部設(shè)置500 mm 寬的后澆塊,建筑主體結(jié)構(gòu)施工結(jié)束之后再進(jìn)行后澆塊的施工,能夠降低對(duì)下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

再次,在施工的過(guò)程中進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè),主要分析轉(zhuǎn)換桁架個(gè)別桿件的應(yīng)變、位移情況,通過(guò)全過(guò)程智能監(jiān)測(cè)和模擬驗(yàn)算施工的合理性,而檢測(cè)的結(jié)果也將為后續(xù)的支模和拆模提供真實(shí)的力學(xué)依據(jù)。

在高層建筑結(jié)構(gòu)規(guī)劃的過(guò)程中,轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)能夠?yàn)榻ㄖw穩(wěn)定性的提升奠定基礎(chǔ),也可以為建筑功能的劃分提供充足空間。在轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)的過(guò)程中,要善于利用信息技術(shù)打造可視化的模擬體系,能夠精準(zhǔn)計(jì)算承載力,讓?xiě)?yīng)力分布可視化,為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。在施工期間還需要通過(guò)多項(xiàng)比對(duì)了解轉(zhuǎn)換層的剛度和承載力,采取行之有效的方式,提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,尤其要將重點(diǎn)放置在連接節(jié)點(diǎn)方面,制定全過(guò)程監(jiān)測(cè)體系,來(lái)滿足高層建筑施工的具體需求。