高层建筑梁式转换层设计施工

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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=0.85βc———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 J GJ3-202 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。