大跨度预应力混凝土转换梁结构技术研究

袁用道,祁广周，曹青山

(1.湖北民族学院 资源与环境科学系，湖北 恩施 445000;2.中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北 武汉 430000；3.武汉大学 土木建筑学院，湖北 武汉 430072)

近年来，高层建筑的发展很快，结构体形和类型越来越复杂.建筑功能实现了多样化，不是单一的住宅楼、办公楼或是商业楼，而是集办公、住宅、商业、文化娱乐为一体.这对结构提出了更高的要求，为了实现这些功能，就需要在结构功能转换的楼层设置转换层.

1 转换层的结构形式

转换层结构分为三种：第一种是上层结构和下层结构类型不同；第二种是上层结构和下层结构的轴线位置和柱子位置不同；第三种是上层结构和下层结构的结构形式和轴线都发生了变化[1].

2 梁式转换层的主要结构形式和优点

梁式转换层主要的传力途径是上层的柱子或墙传递给转换层，实际工程应用中转换梁的分类方式较多：根据跨数不同分为单跨、双跨和多跨转换梁；根据上部墙体的布置方式不同，分为开洞和不开洞、满跨和不满跨；根据转换梁所承受的上部荷载形式不同可分为托梁和托柱；根据转换梁材料不同可分为钢筋混凝土、预应力混凝土、钢结构和钢骨混凝土转换梁等.

建筑结构设计中多采用梁式转换层进行垂直方向的结构布置转换，与其它转换结构形式相比较，梁式转换结构具有如下优点[2]:

(1)结构受力及设计方面

板式转换层的设置虽然有利于上部结构的布置，但是我们在设计板式转换层时，会加大板的厚度，因此其受力情况比较复杂，目前对厚板的力学分析还不能做到很准确.桁架式转换结构虽然传递力径明确清楚，但是构造形式相对复杂且设计及施工的难度很大.而梁式转换层传递力径直接、明确，力学分析和设计相对比较简单；转换梁受力性能良好，构造简单而且施工不需要采取专门的措施[3].

图1 转换梁计算简图

(2)工程造价方面

板式转换层在力学分析时要考虑到抗剪和抗冲切，在设计时不但要满足承载力需要，还得对正常使用极限状况进行校核，尤其是裂缝的控制情况.在设计转换板时其厚度一般可达2.0～2.8 m，一般情况下板厚仅为80～150 mm，仅混凝土这一项工程造价就提高了20～25倍，加上钢筋用量的增加，其单位工程造价相当高[4].而梁式转换层中转换梁常用的截面高度是1.6～4.0 m，只有在特殊情况下才采用较大的截面4.0～8.2 m，其混凝土用量提高的不是很大，与板式转换层相比较其经济性能较好.

3 预应力混凝土转换梁结构的受力分析

3.1 转换梁工作特性

转换梁主要是承受上部墙体或柱子传递下来的竖向荷载，通过对转换梁与上部墙体的共同工作特性进行分析(见图1)，得到以下结论：

(1)当转换梁上部墙体考虑三层时，其计算精度己满足要求，在确定此类计算模型时上部墙体可取三层.

(2)转换梁上部墙体开洞情况对其内力计算结果有较大的影响，但不影响转换梁设计的计算精度，即墙体开洞情况与计算模型的选取关系不大.

(3)转换梁内力计算中考虑下部结构对转换梁内力特征的影响时取下部结构一层比较合适[5].

3.2 所施加预应力对转换梁工作的影响

在预应力技术已经很成熟的今天，通过施加预应力来减小梁高得到了普遍应用，同时还能提高转换梁的其他性能，如提高转换梁的开裂性能、可以通过使用高强钢筋来减小钢筋用量降低梁的自重等等[6].

转换梁结构多为超静定结构，在超静定结构中，张拉节点上的某一构件或几根构件时，节点所产生的变形受到与之相联系的其它构件或支座的约束，这种约束在结构中能引起次内力的产生.次内力对上部框架结构的影响是很大的，因此在结构设计中，应充分考虑使用阶段整体结构和转换梁的实际受力情况[7].

4 预应力混凝土转换梁的构造要求

预应力混凝土转换梁的构造要求有[8]：

(2)转换梁不宜开洞，如必须开洞时，洞口宜位于梁中和轴附近；

(3)转换梁的混凝土强度等级不应低于C30；

(4)转换梁上、下主筋的最小配筋率，非抗震设计时为0.30%，抗震设计时，特一、一和二级分别不应小于0.60%、0.50%和0.40%；

(5)偏心受拉的框支梁，其支座上部纵向钢筋至少应有50%沿梁全长贯通，下部纵向钢筋应全部直通到柱内；沿梁高应配置间距不大于200 mm、直径不小于16 mm的腰筋，腰筋的配筋量一般不小于0.3%bh0；

(6)框支梁支座处(离柱边1.5倍梁截面高度范围内)箍筋应加密，加密区箍筋直径不应小于10 mm，间距不应大于100 mm.加密区箍筋最小面积含箍率，非抗震设计时不应小于0.9ft/fyv；抗震设计时，特一、一和二级分别不应小于1.3ft/fyv、1.2ft/fyv和1.1ft/fyv；

(7)转换梁中纵向钢筋宜采用机械连接，同一截面内接头钢筋截面面积不应超过全部纵筋截面面积的50%，接头位置应避开上部墙体开洞部位、梁上托柱部位及受力较大的部位.

图2 转换梁的支撑加固图

5 预应力转换梁的施工

转换层结构中常用的预应力混凝土转换梁通常截面尺寸大、跨度大、采用预应力施工，不可避免地给了施工造成了一定的难度；为保证转换构件的施工质量和结构的安全性，在施工之前要从模板支撑系统的受力分析、预应力转换梁的施工温度和裂缝控制和预应力对转换梁的影响这三个方面制定技术方案[9].

以武汉广播电视中心为例进行分析：武汉广播电视中心西区大楼建筑面积为74 462 m2，其结构型式为钢筋混凝土框架—筒体剪力墙结构，主楼30层，其中地下室两层为停车场，局部区域为一层设备用房，裙楼5～6层，塔楼24层为办公用房，塔楼上部为8层钢结构功能用房，顶部为直升机停机坪.四楼楼面转换层大梁截面尺寸1 000×2 000 mm，为保证大梁的浇筑质量和模板支架的安全，支模前要对其模板进行专门设计，并对其支架的承载力进行验算，按验算结果确定支架的搭设方法.

5.1 模板及支架搭设方案

模板采用8 mm厚竹胶合模板，底模及侧模的背楞均采用50×100木方，木方顺梁长方向设置，窄面贴模板，支撑系统采用Φ48×3.5钢管扣件系统，并辅以16号普通槽钢作垫脚，使大梁的荷载能基本传递到下层的梁上，对拉螺栓使用Φ16钢筋制作.支架设置5排立杆，排距30 cm，纵距50 cm，在立杆底部横向设置16号槽钢垫脚，槽钢的开口向上，使同一横排的立杆立在一根槽钢中(槽钢的长度不仅要考虑立杆的横向宽度，还要兼顾以后作为框架柱箍的长度)；大横杆同样设置5根，步距1.25 m；承托底模的小横杆间距为30 cm，其余连接立杆的小横杆间距与立杆间距同为50 cm，并且小横杆应连接在大横杆和立杆的连接点处.立杆必须使用对接杆件接长，不允许采用搭接方式接长.为了保证架体的稳固性，在架体纵横方向上间距3 m设置剪刀撑或斜撑.梁底模下设置6根5×10 cm木方作为背楞，安置时要注意将木方的接头相互错开，并且在木方的接头处两边10 cm内都应设置有小横杆.

5.2 梁下结构的支撑加固

在二至三层相应梁下增加钢管脚手架密度，增设两排立杆，立杆纵向间距为50 cm，将原有的两排立杆的纵向间距也加密至50 cm，且立杆接长顶至梁边的板底，并将立杆使用横杆牢固连接.模板的搭设示意图如图2所示.

5.3 模板支架的验算

(1)计算所需常数

根据JGJ130-2001查得Φ48×3.5钢管的计算常数

A=4.89 cm2，I=12.19 cm4，i=1.58 cm，f=205 N/mm2，E=2.06×105N/mm2

根据《建筑施工手册》查得木方的计算常数

fm=13 N/mm2，E=9 000 N/mm2，W=83.3 cm3，I=417 cm4，fV=1.4 N/mm2

(2)荷载统计：

按《建筑施工手册》表17-81中荷载组合表

底模自重

(6×0.05×0.1+0.01×0.6)×5×1.2=0.22 kN/m

混凝土自重

24×0.6×2×1.2=34.56 kN/m

钢筋自重

1.5×0.6×2×1.2=2.16 kN/m

振捣混凝土荷载

2×0.6×1.2=1.44 kN/m

合计

q=38.38 kN/m

为了使模板体系趋于安全，荷载不予折算.

(3)底模验算

①抗弯强度验算

底模下的小横杆间距为0.3 m，是一个等跨多跨连续梁，考虑木方长度较短及接头，按四等跨计算.

按最不利荷载布置查得：弯矩系数：kM=0.121，剪力系数：kV=0.620，桡度系数kW=0.967.

则M=kMql2=-0.121×38.4×0.33=-0.1255kN·M

抗弯承载力符合要求.

②抗剪强度验算

V=Kvql=-0.620×38.4×0.3=7.1424 kN

③挠度验算

荷载不包括振捣混凝土荷载，则q=36.98 kN/m

挠度满足要求.

④支架立杆的验算

一般可直接按立杆的稳定性控制.在钢管对接的情况下，本支架的立杆允许荷载为[N]=35.7 kN.

查得轴心受压稳定系数φ=0.728

立杆稳定性验算如下：

立杆稳定性满足要求.

6 结论

通过以上分析可以看到：转换梁和上、下部结构有明显的共同工作特性，尤其是转换梁下部层数的多少即下部结构的刚度对转换梁的内力影响较大，选取的不恰当，会使转换梁支座内力偏大，跨中弯矩偏小.转换梁刚度过大会引起上部结构在卸载时，反拱过大，甚至使混凝土开裂；刚度过小，会使与转换梁相连的柱子弯曲过大，柱子中最大轴力出现在转换梁上层的柱底，上部连续梁有挠度的支座负弯矩减小，无挠度的支座负弯矩加大.因此在设计中要根据结构的特点选择合适类型的转换梁，综合考虑荷载、刚度、挠度产生的影响.

[1]肖志斌.承托八层框架预应力转换梁设计研究[J].工程设计学报，2003，10(5):295-298.

[2]熊学玉，黄鼎业.预应力工程设计施工手则[M].北京：中国建筑工业出版社，2003：36-37.

[3]吕志涛，孟少平.现代预应力设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1998:52-53.

[4]杜拱辰.现代预应力混凝土结构[M].北京：中国建筑工业出版社，1988:101-103.

[5]赵进.预应力混凝土转换梁结构设计及施工过程有关问题的探讨[D].南京：东南大学，2006.

[6]赵松林.基于工程实例的梁式转换层设计探讨[D].广州：华南理工大学，2003.

[7]薛伟辰.现代预应力结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2003：24-25.

[8]朱华.超大跨度预应力转换梁的预应力施工与测试[J].安徽建筑，2008,15(6):87-88.

[9]陈惠玲.高效预应力结构设计施工实例应用手则[M].北京：中国建筑工业出版社，1999：60-61.