浅析高层建筑梁式转换层设计施工研究

下面是鲁班乐标给大家带来关于高层建筑梁式转换层设计施工的相关内容，以供参考。

结构转换层在高层建筑的设计运用满足人们对建筑艺术的需求。在结构施工过程中,转换层的施工质量控制一直是整个施工过程的重点。本文结合工程实例就结构转换层施工中需要高度关注的问题和所采取的相应技术措施进行了阐述。

1引言

近年来，高层建筑发展迅速，建筑朝体型复杂、功能多样的综合大楼发展，因而相应的结构形式也日趋多样。由于不同建筑使用功能要求不同的空间划分布置,相应地要求不同的结构形式,如何将它们之间合理地转换过渡,沿竖向组合在一起,就成为多功能综合性高层建筑结构体系的关键技术。这对高层建筑结构设计提出了新的问题,需要设置一种称为转换层的结构形式,来完成上下不同柱网、不同开间、不同结构形式的转换。

转换层作为大楼承上启下的关键构件，它们具有结构厚、体形大、钢筋密集、体重大、楼层净空高、混凝土强度等级高、数量大、工程条件复杂和施工技术要求高等特点。除了必须满足混凝土的强度、整体性和耐久性之外，主要就是如何控制转换层梁板在施工中不会因温度应力、混凝土冷缩和干缩以及模板体系变形等原因而产生梁板裂缝、蜂窝麻面、露筋等质量缺陷。为了防止转换层施工质量缺陷的产生，我们综合应用了一系列的施工工艺和施工技术，控制转换层的施工工艺过程，防止质量缺陷产生。

2工程概况

长沙某大厦是一个集娱乐、购物、居住商住综合大楼。总建筑面积39000㎡，建筑总高97m，共29层。其中1-4层为商业楼层，五层为结构转换层，转换层以上为住宅塔楼，本建筑位于六度抗震区，建筑场地为Ⅱ类，地下室两层。裙楼下为框架-剪力墙结构，裙楼以上为剪力墙框架体系在第四层设置梁式转换结构，层高为6.2m，转换层框支梁宽500～1500mm，梁高均为2.2m，转换层最大框支梁截面为1800～2200mm（h），梁净跨为6.8m，与之相对应的柱截面为700～1800mm。

3施工特点

由于转换层是整个结构的关键部位，而且为大体积混凝土，又位于地上四层，施工荷载巨大，荷载传递困难，受温度和收缩应力影响易产生裂缝，这给施工带来较大困难。转换梁自重大，由于设计要求采用一次性支模浇灌混凝土方案，施工时模板的垂直负荷太大，梁下楼板无法直接承受其荷载。支撑的高度大，按照常规需要大量的钢管支撑，施工费用比较大。钢筋比较密集，而且剪力墙以及暗柱所需的钢筋需要预埋，钢筋定位和混凝土浇筑困难。体积较大，混凝土发热量大，温度裂缝较难控制。

4结构设计

本工程采用钢筋混凝土大梁作为结构转换层，将上部剪力墙结构变为下部三层以柱为主的大空间结构，满足建筑上使用功能的需要，在结构设计时，应着重从以下几个方面着手:

4.1构件截面的确定

转换大梁(即框支梁)截面组合的最大剪力设计值应满足公式1的要求，有地震组合时:

V=(0.15βcfcbh0)/γRE(式1)

式中：

γRE=0.85

βc———混凝土强度影响系数，当混凝土强度等级不大于C50时，取1.1；当混凝土强度等级大于C80时取0.8；当混凝土强度等级在C50至C80之间时，可按线性内插采用。

Fc———混凝土轴心抗压强度设计值；b为构件截面宽度；

Ho———构件截面有效高度。

本工程采用混凝土强度等级C40，fc=19.1N/mm2，采用中国建筑科学院PKPM、SETWE软件进行结构整体计算，确定转换梁(框支梁)的截面尺寸为1000mm-2500mm。

4.2框支剪力墙截面的确定

在水平荷载作用下，当转换层上、下部楼层的结构侧向刚度相差较大时，会导致转换层上、下部结构内力突变，促使部分构件提前破坏。为此，在结构设计时，应严格控制转换层上、下层结构等效刚度比的限值规定当底部大空间为1层时，转换层上、下结构以剪切变形为主，可近似用转换层上、下层结构等效剪切刚度比γ表示转换层上下层结构刚度的变化，非抗震设计时γ不应大于3，抗震设计时γ不应大于2；当底部大空间大于1层时，其转换层上、下部结构的等效侧向刚度比γe可按图1、图2所示的计算模型按公式2计算，比值宜接近1，非抗震时不应大于2，抗震设计时不应大于1.3。

γe=△1H2/△2H1(式2)式中：

γe———转换层上下结构的等效侧向刚度比；

H1———转换层及其下部结构(模型a)的高度；

△1———转换层及其下部结构(模型a)的顶部在单位水平力作用下的侧向位移；

H2———转换层及其上部若干层结构(模型b)的高度，其值应等于或接近模型a的高度H1，且不大于H1；

△2———转换层及其上部若干层结构(模型a)的顶部在单位水平力作用下的侧向位移。

当转换层设置在3层及3层以上时其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60%，转换层上下部结构等效侧向刚度计算时，宜综合考虑各构件的剪切、弯曲和轴向变形对结构侧移的影响。同时按一、二级抗震等级设计的剪力墙的截面厚度，底部加强部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/16，且不小于200mm；其他部位不应小于层高或剪力墙无支长度的1/20，且不小于160mm。根据以上相关要求，并结合建筑平面布置，本工程转换层以下落地剪力墙厚度采用350mm，转换层以上部分根据墙所在位置的不同分别采用240mm和200mm，在设计中采用SETWE软件整体计算得:γe=1.186，能较好地满足转换层上下结构的等效刚度比限值的要求。

4.3框支柱截面的确定

本工程根据SETWE软件计算，框支柱根据轴压比限值为0.6的要求确定，同时结合框支梁的截面宽度及框支梁计算跨度，最后采用柱截面为1200mm-1200～1400mm不等。

4.4转换层楼板厚度确定

转换层楼板是主要传力构件，因此在设计时，对框支层楼板应进行截面尺寸的控制，并应进行抗剪截面验算、楼板平面内受弯承载力验算以及构造配筋要求，本工程转换层楼板厚度取值为200mm；实际配筋为Φ12-150双层双向，楼板中钢筋锚固在边梁或墙体内，与转换层相邻楼层的楼板也适当加强，板厚采用150mm。

5模板、钢筋、混凝土施工质量控制

5.1模板支设及质量控制

本工程转换层模板支撑采用一次性支模的钢管支撑体系,由于施工荷载大,在考虑梁板模板及其支撑安全牢靠的同时,应考虑下部结构的支撑安全。支撑采用Φ48-3.5钢管,钢管支架连接使用扣件对接方式,由立杆直接传力,受力性能较为合理,承载能力能充分利用,支架高度靠可调螺栓调节。

模板支设质量保证措施：

框支柱梁模板工程因为框支梁柱截面尺寸大,施工难度较大,为确保工程质量,采取如下措施:

⑴框支柱模板安装前,先调好框支柱筋位置,由于框支柱筋弯锚入梁板内Lαе,框支柱筋重心偏移,柱筋可能朝弯锚钢筋的方向整体偏移达160mm左右。因此,先用电动葫芦固定好框支柱筋,再在柱、墙底部根据弹好的轴线焊好钢筋限位后加固柱模。同样,框支梁筋需预先调整到位后再封侧模。

⑵由于框支梁截面尺寸大,钢筋较密,因此,采取先绑扎安装框支梁钢筋再封梁侧模。

⑶处理好柱、墙与梁,墙、梁与板部位及节点的搭接接头,一定要严密、平齐,以保证其混凝土表面平整,线角清晰。预留洞模必须设好对角撑和必要数量的水平撑,避免预留洞的位移及变形。

⑷框支梁自重大,梁中起拱按3/1000上限控制,后续梁混凝土施工过程中,一次浇筑厚度不超过500mm。

5.2钢筋施工及其质量控制

框支柱与框支梁纵向受力钢筋均采用直螺纹机械连接,钢筋安装工程严格按03G101-1修正版和JGJ3-202高层建筑混凝土结构技术规程中有关转换层结构施工的要求和构造施工。

5.2.1钢筋绑扎施工

在钢筋绑扎时,预先确定各层和各个方向的纵向受力钢筋安装顺序,对于梁上层钢筋每排间距确保不少于1.5d且大于30mm；对于梁底层钢筋每排间距确保不小于1d,且必须大于25mm；对于梁端部弯头钢筋由于受柱断面尺寸限制,弯头钢筋的排距最小间距不得小于25mm。安装时每根转换梁的每层水平钢筋需搭设排架,用3～4个工人同时操作就位。为使钢筋平直,不影响箍筋和其他钢筋的绑扎,必须把每层水平钢筋用Φ48钢管排架作临时承托,保证钢筋就位后的平直度,待箍筋绑扎好后,临时排架逐步撤除。

5.2.2直螺纹机械连接接头

由于框支柱筋需弯锚入梁柱,如果按常规做法转动柱筋,柱筋弯折的方向将难以控制,这将造成梁筋无法绑扎。因此,机械接头均采用正反牙套筒接头,预先固定好柱筋的弯锚方向后,用扭力扳手转动套筒,而柱筋保持不动。施工过程中不得将接头留在梁上方有洞口的范围内。梁的接头率不超过25%,柱不超过50%,尽可能不将接头留在非连接区。

5.2.3梁柱节点处理

根据03G101-1修正版,框支柱钢筋锚入梁板从柱边算起应大于Lαе,而框支梁面筋第一排应锚入柱中,从梁底算起应大于Lαе。因此,梁柱节点的钢筋将非常密,将框支柱柱筋一部分伸入上一层剪力墙内至楼板顶,另一部分锚入梁或楼板中,梁柱钢筋锚入起点采取分层的办法,避免梁柱钢筋全部混在一起。梁柱节点的部分箍筋采取分段配置,箍筋接头部位在框支柱两侧错开50%,同时对搭接部位进行电焊封闭。

5.3转换层混凝土的施工及其质量控制

根据03G101-1修正版的要求,框支梁面筋伸入柱内长度应超过梁底大于Lαе因此,混凝土浇筑安排分两次进行,第一次浇筑至梁底下1.2m以下,第二次完成梁底1.2m以上的框支柱和框支梁及板混凝土浇捣。由于框支梁柱钢筋多且密集,对混凝土浇筑带来很大难度,梁柱混凝土标号为C50,混凝土标号高,浇筑期间气温高,防裂和振捣密实是混凝土施工的关键。施工中应该采取如下措施：

⑴由于框支梁柱钢筋密集,混凝土中石子骨料采用5～20mm的细石子级配,同时在钢筋封模板之前,现场主要浇筑施工人员对已绑扎好的钢筋进行巡视,对不便于混凝土浇筑及下料部位的钢筋应及时采取有效处理措施。

⑵混凝土浇捣时要派专人对排架进行观察检查,若发现异常现象,及时对有问题的部位进行加固。

⑶在混凝土浇筑过程中,必须控制好振动器移动距离在400mm,振捣严禁漏振。混凝土振捣时振动器必须做到快插慢拔。框支柱混凝土振捣之前需设定好振动器放置点,确保柱内混凝土均在振动器振动范围内。

⑷框支梁施工缝以上钢筋封模板之前必须把钢筋上的裹浆清除干净,同时也要把施工缝面层上的垃圾清除干净。框支梁第二次浇筑前必须将混凝土面层充分浇水湿润。

⑸框支梁混凝土浇捣时采取分层浇捣,一次浇捣高度不超过500mm。

转换层大体接混凝土施工温度裂缝控制。

6转换层大体积混凝土裂缝的原因分析

6.1目前转换层混凝土开裂原因主要有以下几种

⑴荷载引起的裂缝；

⑵施工不当引起的裂缝；

⑶材料不良引起的裂缝；

⑷温差引起的裂缝；

⑸混凝土收缩引起的裂缝。

在实际混凝土结构的裂缝中,由非荷载原因(如温度、收缩、不均匀沉降、冻胀等因素)引起的裂缝,在数量比例上要比因荷载引起的裂缝高得多。

本工程由于采用一次性浇筑，混凝土量大，内部产生的水化热引起的升温较快，造成内外温度差大，混凝土容易开裂，加上混凝土本身的收缩，故极易产生裂缝。为了避免裂缝产生，必须进行控制施工裂缝的理论计算。

6.2混凝土内外温度计算

选择晴天中午实测：温度34℃，水温26℃，砂，石平均26.5℃，混凝土入模温度平均为35℃。

根据精确要求，在混凝土内部最高升温值的计算可以只考虑单位水泥用量和混凝土入模温度两个主要因素，根据混凝土配合比，所用计算的大体积混凝土内部最高温度升温值为：

Tmax=a(Wc/10+Wf/50+T0)

式中：

T0———混凝土入模温度35℃；

Wf———粉煤灰用量55㎏；

Wc———水泥用量370㎏；

a———用普通硅酸盐水泥P.042.5水泥系数，取值1.1。

∴温度为78℃。

按大体积混凝土施工进行估算，在第三天，混凝土表面温度为41℃左右，因而混凝土的内外温差：

△T=Tmax-41=78-41=37℃.

按照要求，内外温度应小于25℃，所以不能满足防裂施工要求，必须采取措施防止开裂。

6.3防裂措施

本工程采用保温保湿法保温,梁柱木模板本身可以作为保温材料。在梁柱侧面模板面加铺两层湿麻袋,再铺一层塑料薄膜进行保温。养护过程中通过保温的麻袋保持混凝土表面湿润。

⑴延长框支梁柱侧模的拆除时间,当框支梁柱混凝土标号达到100%以后,混凝土收缩变形已稳定,此时拆除侧模后仍用麻袋挂在梁柱侧面养护7d。

⑵采用掺入高效减水剂和适量的粉煤灰优化配合比,在满足强度、抗渗混凝土拌合物和易性的要求下,通过试配,尽量减少水和水泥用量,水灰比适中,以此减少水化热温升,减缓水化热释放速率。

7经验总结

本工程转换层结构拆模后经严格检查,未发现有害裂缝,工程质量验收评定为优良。通过优化混凝土配合比设计,选择合理的浇捣方法,设置冷却管降低混凝土核心温度,加强保温、保湿养护等方法,可以降低混凝土温度应力和提高混凝土自身抗拉性能,控制大体积混凝土温度裂缝的产生和发展。经过本工程实例总结出如下几点结论：

⑴审查施工方案必须强调以计算为依据、以安全为宗旨；

⑵模板支撑体系不仅要进行精确计算,还要有足够的构造措施保证,并要强化检查,完善手续；

⑶和新节点处的钢筋绑扎必须保证位置的准确,为后续施工打下好的基础。确有必要时可以采取一些新工艺新技术,以保证混凝土的浇筑质量；

⑷混凝土浇筑中要严格控制钢筋密集区的浇筑,确有必要时可以采用细石混凝土浇筑,以防出现孔洞；⑸要严格监督混凝土测温制度的执行及模板的变形观测,以防出现质量隐患和安全事故。