高层建筑梁式转换层施工支撑体系的优化

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1 引 言转换层是综合性高层建筑工程中用于层间空间转变的重要结构层，梁式转换层结构又是高层建筑工程中常用的转换层结构型式。在转换层施工过程中，支撑体系的合理设置是保证施工质量及工程安全的关键环节，然而现有的支撑体系大多建立在经验基础之上，缺乏理论分析与计算。为此，笔者结合洛阳国际贸易中心工程实践，对高层建筑梁式转换层结构的施工技术方案进行优化设计和方案比选，并进行计算分析，力图建立科学合理的支撑方案，为同类工程的设计与施工提供参考。2 梁式转换层结构的特点2.1 工程概况洛阳国际贸易中心工程位于洛阳市中州路和人民西路交叉口的繁华地段，是集商业、停车、住宅、写字楼为一体的高层建筑。工程地上 29 层、地下 1 层，建筑面积 79026m2，总高度 103.8m。其中－1～5 层是框支剪力墙结构，6～29 层是剪力墙结构；转换层设在第 5层，层高 6.0m。整个工程由三栋结构体系基本一致的塔楼组成，中间采用宽度为 350mm 的抗震缝分开。2.2 结构特点及技术难点1)该工程－1～5 层为框支剪力墙结构，转换层采用梁式结构，设计在第 5 层 (结构层顶标高为27.60m)，达到此类钢筋混凝土结构设计的上限，结构极为重要。2) 转换层梁的规格种类繁多，梁高由 600～2400mm 不等，变化幅度较大。框支梁的截面尺寸最大达到 800mm-2400mm，板厚为 250mm，整个结构荷载较大。3)框支梁、框支柱配筋直径大、数量多，非常密集。根据图集《03G101》规定，柱和框支梁主筋锚固较复杂；上部结构短肢剪力墙的所有竖向受力钢筋均须插筋预埋，钢筋定位较为困难。4)转换层混凝土浇筑方量大，施工人员多，浇筑方法和施工荷载也是转换层施工中需要重点解决的问题。3 施工方案优化梁式转换层结构的特点决定其必须合理选用结构施工中的模板支撑方案。综合考虑支撑的布置对转换层下部结构梁板的承载力的影响，确定支撑体系的配置形式，是转换层施工技术方案选择的主要内容。3.1 一次性支模体系方案转换层的模板支撑从转换层底部一直支撑到底层地面。这种方案简单但是需要大量的模板支撑材料，很不经济。3.2 叠合梁施工方案将一根框支梁分为 2～3 次浇筑，先浇筑下部的梁，待混凝土强度达到 100%后，再浇筑中部梁和上部梁。采用此方案，支撑系统只考虑承受第 1 次的混凝土自重和施工荷载，可减小下部钢管支撑的负荷，可减少一定量的周转材料。但是，这种方案梁的高度变化大，无法统一浇筑，很难保证施工缝的规范留置，容易污染和破坏已成型的钢筋骨架；混凝土工序延长使施工工期加长，转换层以下第 3、4 层梁板模板及其支撑系统拆除时间延长，也增加了施工费用。3.3 附加型钢或桁架支撑系统施工方案在结构施工中首先施工框支柱、剪力墙至框支梁底标高处，在框支柱和剪力墙上提前埋设铁件，然后在铁件上焊接牛腿，用牛腿承托型钢或者军用桁架，形成附加支撑体系，待柱、墙的混凝土强度达到设计强度的 80%后，承担转换梁的施工荷载。这种方案需要投入大量钢材，一次性投资很大，施工工艺较复杂，焊接和预埋件埋设精度高，工艺增加使工期加长，既不经济、施工速度又慢。3.4 荷载传递、埋设埋件、叠合浇筑综合法施工方案工程在设计时，考虑到由于转换层的荷载传递变化引起的应力不均匀性，转换层板厚设计为 250mm，第4 层板厚设计为 160mm，且增大了第 4、5 层的钢筋配筋率；采用商品泵送混凝土，混凝土施工分三个区单独进行，确保混凝土施工的连续性；后期工程中设计的预埋件钢板较多，可以提前购进加工成小尺寸的钢板，用其作为竖向支撑杆件的垫板。该方案的具体设计如下：1)荷载传递。转换层的自重和施工荷载通过模板和支撑体系传向竖向构件和下部结构顶部的梁板。转换层支撑体系要求解决下部支撑的刚度和稳定性，尤其是转换梁的支撑和荷载分散问题。经估算，第 4 层顶板负荷强度能够满足要求，仅将第 4 层的梁板支撑立杆纵横间距在第 4 层施工时加密为 0.7～0.9m，剪刀撑每跨结构之间不少于两道，支撑立杆均加设扫地杆，其余墙柱模板支撑按原施工方案不变。这种设计为转换层的支撑体系提供了强有力的支撑平台，主要解决转换梁的支撑和荷载传递问题。2)埋设埋件和转换梁支撑。在荷载传递中重点解决的是转换梁的荷载传递，其荷载在向下部结构传递的同时，也向竖向构件传递和分散荷载。转换梁的支撑，采用埋设附加钢管支撑桁架和梁下钢管排架的综合受力支撑体系。转换层的自重和施工荷载由两部分承担，一部分利用转换层下部结构柱的传力作用来分担上部荷载，由柱根部预埋的四排钢管斜撑杆组成平面桁架构成的三角形空间桁架(图1中粗线条部分)支撑，承担一部分施工荷载，桁架斜撑杆间距为 600mm，水平拉杆间距均不大于 1200mm；另一部分由梁下设置的排架(图 1中细线条部分)体系承担，排架立杆间距 600mm，大横杆间距为 850mm，梁底用水平钢管和方木间隔密布作为模板的背楞。所有支撑材料均采用 Φ48mm-3.5mm的 Q235 钢管，为确保支撑架在施工过程中的使用安全可靠，验算支撑受力性能时，钢管降低规格使用(即按Φ48mm-3.0mm规格的钢管进行验算复核，截面面积A=423.9mm2，ω=4490.69N/mm2)。支撑结构见图 1。3)叠合浇筑。在浇筑混凝土过程中，采用分层浇筑施工，每层厚 400～600mm，短时间间断浇筑，在下层混凝土初凝之前，将上一层混凝土浇筑完毕。这样可减小混凝土的侧压力，保证框支梁侧模的安全。通过对以上四种施工技术方案比选，决定选用第四种施工技术方案，即荷载传递、埋设埋件、叠合浇筑综合法施工方案。4 支撑体系承载能力验算4.1 施工荷载确定荷载包括钢筋混凝土自重荷载、施工活荷载和混凝土振捣产生的竖向荷载。根据规范规定，恒载分项系数取 1.2；可变荷载分项系数取 1.4。1) 取分项荷载 [5] 为：模板及其支架自重荷载1.1kN/m2；新浇混凝土荷载 24kN/m3；每立方米混凝土中钢筋自重荷载 1.5kN/m3；人员及设备荷载 2.5kN/m2；振捣荷载 2.0kN/m2。2)计算最大荷载 qq=rGSGK+rQSQ1K=rGGk1i+rGGk3i+rGGk2i+rQQK2i+rQQK1i (1)式中 rG———永久荷载的分项系数；rQ———可变荷载的分项系数;Gk1i、Gk3i、Gk2i———模板及其支架自重、新浇混凝土荷载、钢筋自重；Qk2i、Qk1i———施工(人员和设备)活载、振捣混凝土荷载。按框支梁宽 0.8m、高 2.4m、长 1.0m 考虑，根据公式(1)可得q=1.2-0.8m-1.1kN/m2+1.2-0.8m-2.4m-24kN/m3＋1.2 -0.8m -2.4m -1.5kN/m3 -1.4 -0.8m -2.5kN/m2+1.4-0.8m-2.0kN/m2=64.848kN/m=64.848N/mm.4.2 主要杆件受力验算空间排架由多个平面排架组成，由小横杆的受力方向和挠度确定。计算时可以先考虑 0.8m 宽的梁设四排平行的排架，立杆间距为 600mm，小横杆间距为600mm，跨度为 1800/3=600mm，水平杆和方木小楞间隔密排(水平杆 5 根)，水平杆主要承受模板传递的竖向均布荷载，大横杆最大间距为 850mm，中间设剪刀撑；其中的立杆、水平杆、大横杆、小横杆均为 Φ48mm-3.5mm 的钢管。梁底支撑断面见图 2。1)检算梁底水平杆(模板背楞)的抗弯强度和挠度①梁底水平杆的抗弯强度 σ 验算 (按均布荷载三等跨连续梁计算)：M=0.101qL2 (2)σ=M/ω (3)式中 M———梁底弯矩；q———最大荷载；L———小横杆间距，L=600mm。根据式(2)，M=0.177-64.848-600-600=4132114.56N-mm。根据式(3)，σ=4132114.56/4490.69=920.15N/mm2＜fm(钢材抗弯强度设计值，查取 Q235 的 fm=205 N/mm2)=5-205=1025N/mm2。