高层建筑转换层施工技术研究

贺 勇

摘要:文章针对高层建筑结构形式日益大型化、复杂化,给施工带来许多新的难度的问题,探讨了高层建筑转换层结构施工技术,包括结构转换层的特点、转换层设计、经济指标、抗震性能、梁式和桁架式转换等注意事项,对工程施工有着十分重要的意义。

关键词:高层建筑;转换层;抗震性能;梁式;桁架式

中图分类号:TU378文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)22-0147-02

转换层结构的跨度和承受的竖向荷载均很大,致使转换层结构构件的截面尺寸不可避免地高而大。目前应用最为广泛的混凝土梁式转换层中一般转换结构的截面高度为跨度的1/4~1/6,实际工程中转换结构常用截面高度为1.6~4.0m,只有在跨度较小或承托的层数较少时才采用较小的截面高度0.9~1.4m,而跨度较大且承托的层数较多或构造条件特殊时则采用较大的截面高度4.0~8.2m,如此高大的转换结构其连续施工强度大,施工过程复杂,给现场施工带来了相当大的难度。在混凝土转换结构施工中,其关键在于转换结构临时支撑系统的设置和混凝土施工方案的确定,上述每一项施工技术都是转换层施工中的崭新课题。为确保转换结构的施工能够顺利、有效地完成,这就要求其施工能根据工程的实际情况,方便地运用一些比较成熟的理论,并结合类似工程的经验,快速、有效地解决以上问题。

一、结构转换层的特点

高层建筑中转换层的突出特点主要有两个方面:一是转换层通常设置在建筑物的下部,在它的上面承受着几十层的荷载,受力复杂,它的破坏将会导致灾难性的后果。由于设计时分析方法的限制,对各种形式转换层难以做到精确分析;另一方面是转换层部位地震反应强烈。由于转换层承受荷载巨大,导致其截面超出常规,钢材耗用量大、刚度大,重量也较一般楼层显著加大。

高层建筑水平力起控制作用,在地震区,一般要求楼层的质量和刚度均匀变化,不宜有突变,否则在地震作用下易产生薄弱层。高层建筑在转换层质量和刚度的变化导致该部位地震反应加大。另外,转换层的巨大截面还会给施工带来许多不方便。如武汉新世界中心,转换层采用1.6m厚的厚板,这种厚度的板不但配筋、混凝土浇筑困难,施工质量难以控制,而且施工时对其下部的模板支撑体系要求严格。0.5kN/m2以上的浇筑重量,常规的模板支撑不适用,还需另行设计制作,增加了工程的费用。一般地,由于转换层以上是小开间的剪力墙结构,而转换层以下是以柱为主要承重的大空间结构。很明显,转换层以上的结构剪切刚度大于转换层以下的结构剪切刚度,这必须进行调整。

二、转换层结构的施工特点

部分竖向构件在转换层处被打断,使竖向力的传递被迫发生转折,而转换层就是实现转折功能的大型水平构件。带转换层的高层建筑是一受力复杂、不利抗震的结构体系,该结构及其支撑系统有自身的特点。

众多高层建筑采用梁式转换层进行结构转换,这主要是由于:

(一)转换层设计

1.带转换层的多高层建筑,转换层的下部楼层由于设置大空间的要求,其刚度会产生突变,一般比转换层上部楼层的刚度小,设计时应采取措施减少转换层上、下楼层结构抗侧刚度及承载力的变化,以保证满足抗风、抗震设计的要求。转换构件为重要传力部位,应保证转换构件的安全性。

2.8度抗震设计时除考虑竖向荷载、风荷载或水平地震作用外。还应考虑竖向地震作用的影响,转换构件的竖向地震作用,可采用反应谱方法或动力时程分析方法计算;作为近似考虑,也可将转换构件在重力荷载标准值作用下的内力乘以增大系数1.1。

(二)经济指标

从抗剪和抗冲切的角度考虑,转换板的厚度往往很大。一般可达2.0m~2.8m。这样的厚板一方面重量很大,增大了对下部垂直构件的承载力设计要求,另一方面本层的混凝土用量也很大。

转换梁常用截面高度为1.6~4.0m,只有在跨度较小以及承托的层数较少时才转换梁常用截面高度0.9~1.4m,而跨度较大且承托较大且承托的层数较多时,或构件条件特殊时才采用较大的截面高度4.0~8.2m。

(三)抗震性能

由于厚板集中了很大的刚度和质量,在地震作用下,地震反应强烈。不仅板本身受力很大,而且由于沿竖向刚度突然变化,相邻上、下层受到很大的作用力,容易发生震害。以往的模型振动台试验研究表明,厚板的上、下相邻层结构出现明显裂缝和混凝土剥落。另外,试验还表明,在竖向荷载和地震力共同作用下,板不仅发生冲切破坏,而且可能产生剪切破坏,板内必须三向配筋。

从已设计的工程来看,带有厚板转换层的商住建筑,结构设计和施工都比较复杂,材料用量和造价都较高,而且抗震设计上的问题较多,目前还在进一步研究,所以采用这种结构形式要慎重对待。

三、梁式和桁架式转换层

目前在结构设计中应用较多的转换层主要结构形式有:梁式(墙梁式)、空腹桁架式、斜杆桁架式、箱形和板式等。其中梁式转换层应用最为广泛,它设计和施工简单,受力明确,一般应用于底部大空间剪力墙结构体系中。转换梁可沿纵向或横向平行布置;当需要纵、横向同时设置时,可采用双向梁的形式进行结构布置。单向托梁、双向托梁连同上、下层较厚的楼板共同工作,可以形成刚度很大的箱形转换层。当上、下柱网轴线错开较多,难以用梁直接承托上下结构布置的转换时,则需将楼板做成厚板,形成板式转换。板式转换层的上下结构柱网可以进行灵活布置,毋需与上层结构对齐,但自重很大,且材料耗用较多。

(一)转换层设计

从结构的传力方式来看,转换桁架具有传力明确,传力途径清楚,但构造和施工复杂。另一方面,转换桁架不仅使开洞与设置管道具有条件,而且它们的位置与大小都有很大的灵活性,使充分利用该转换层的建筑空间成为可能。

(二)经济指标

从经济指标来看,采用转换桁架其钢材和混凝土的用量比采用转换梁要经济。表1为某建筑,建筑面积5万m2,主体建筑地上35层,地下2层,为满足建筑功能的要求在第6层设置转换层。若采用转换梁方案,其截面尺寸需1.4m×3.0m;若采用转换桁架方案,各杆分别为1.0m×1.2m×1.0m。

(三)抗震性能

桁架转换层的节间采用轻质建筑材料填充,有利于减轻结构的自重,而且转换桁架的抗侧力刚度比转换梁要小,也就是说,具有桁架转换层的高层建筑其质量和刚度的突变要比带转换梁的高层建筑缓和。因此,地震反应要比带转换梁的高层建筑要小得多。

四、结语

随着国民经济的发展,高层建筑蓬勃兴起。在建筑结构设计当中,为满足上下楼层不同建筑功能的要求,需在结构布置差异较大的楼层中间设置转换层。转换层的设置起到传承上部结构荷载,保持结构稳定的作用,是建筑结构中的重要部位,也是建筑施工中的重点和难点。其施工技术牵涉到力学、材料学、结构设计及工程管理学等多项学科,是一项极其复杂的系统工程。与此同时,高层建筑转换层的施工技术已越来越成为工程界关注的课题。目前绝大多数高层建筑根据功能及结构的需要都设有转换层。

参考文献

[1]黎河川.钢筋混凝土转换层结构[J].中国西部科技,2006,(12).

[2]吴育军.高层建筑转换结构施工技术研究[J].科技资讯,2008,(24).

[3]谢远崧.谈建筑转换层结构的施工技术问题[J].广东科技,2009,(10).

[4]林煌斌,王全凤,张云波.复杂高层转换层结构的智能选型[J].华侨大学学报(自然科学版),2008,(3).

[5]王龙,孙伟.浅析高层建筑转换结构中模板结构设计[J].黑龙江科技信息,2009,(13).

[6]覃东城,李永贵.高层建筑钢筋混凝土转换层施工技术概论[J].科技情报开发与经济,2008,(22).