曲面外墙带转换层高层建筑的抗震计算与施工技术要点分析

刘大成

（中电建建筑集团有限公司，北京 100000）

0 引言

为满足高层建筑结构的功能性和美观性，在进行结构设计时，往往采用连续曲面外墙，不仅能够使建筑物更好地融合到周围环境中，还能弱化其方向性，增加采光、通风效果。但是，曲面外墙高层建筑楼板大开洞可降低楼层平面内刚度，从而降低各楼层的水平刚度。因此，对于曲面外墙高层建筑，不仅需要进行抗震计算，还要结合计算结果优化抗震施工技术，从而提高高层建筑的抗震性能。本文就曲面外墙带转换层高层建筑抗震性计算与施工技术要点进行分析。

1 案例工程施工难点

某高层建筑总占地面积达到6352m2，包括15层地上结构和地下1层结构，建筑物高度60.3m，室内外高差为100cm。采用部分框支-剪力墙结构，为提高与周边建筑的共融性，采用连续曲面外墙设计。经过综合分析认为，工程项目施工难点如下：

（1）薄弱部位抗震设计难度大：平面不规则，且楼板有多处大开洞，楼板连续性差，增大楼板刚度，导致应力过于集中，因而容易出现结构开裂，对薄弱位置抗震效果产生一定影响[1]。

（2）外墙采用连续曲面设计，曲率半径大，Y向扭转位移比达到1.25，呈不规则形态，为确保混凝土施工质量和效率，需要加强模板支设环节施工控制，一定程度上增加支设难度。

（3）竖向规则性判断结果显示，地下1层顶板与地上1层楼板错层高度达到1.5m，高于1.2m的规定值，且第2层为转换层，导致竖向抗侧力构件之间呈不连续状态。

2 抗震性设计与计算分析

2.1 抗震设计

该项目采用连续外墙曲面设计，其抗震设计如表1所示。

表1 工程项目相关抗震设计

2.2 关键部位构件抗震性能

采用PSMA 2和SATWE结构设计软件，对抗震性能进行计算。计算时既要考虑抗震技术应用的可行性，也要兼顾施工的经济性，关键部位构件抗震性能初步计算结果如表2所示。

表2 关键部位构件抗震性能计算结果

2.3 层间位移

层间位移计算结果见表3所示。由表3中数据可知，X向和Y向最大层间位移角度和最大层间位移比均符合规范与设计要求。值得注意的是，由于在2层设置转换层，因此1层到2层的层间位移稍显剧烈，但是仍然在允许范围之内。

表3 层间位移计算结果

2.4 其他指标

（1）楼层剪力系数：现行规范中明确指出，地震烈度为7度（0.10g）的建筑，楼层最小剪力系数为1.6%[2]。通过计算，在地震作用下，X向和Y向最小剪重比为4.78%，因此无需对系数进行调整。

（2）楼层侧向刚度：计算结果显示，无论是X向，还是Y向，地下1层与地上1层的剪切刚度比均＞1.5，且转换层（2层）与3层＞0.5，符合设计规范。在此基础上，所有楼层侧向刚度均高于上层的90%，无薄弱层。

（3）倾覆弯矩：通过计算发现，对于水平力作用下框支框架所能承受的地震倾覆力矩，两个结构设计软件所得结果比较接近，且均＜50%，符合规范要求，见表4所示。

表4 框支框架承受的地震倾覆力矩

3 抗震施工技术要点

3.1 地下结构

基础底板是高层建筑上部结构的嵌固端，为提高整体抗震效果，采用带负1层的桩筏式基础。地下结构抗震施工技术要点包括：

（1）控制地下水水位：在对地下室顶板进行混凝土浇筑之前，需要对地下水水位进行有效控制，使其下降到底板垫层（基坑最低点）的30cm之下。浇筑后到覆土前，控制地下水水位在底板垫层的50cm之下。覆土完成到6层楼面施工结束后，停止控制水位[3]。

（2）土方开挖支撑：当基坑土方开挖至标高后，分区域实施混凝土支撑，遵循对称、限时和分层原则，采用盆式开挖方式，避免延长基坑的无支撑暴露时间。设临时边坡，开挖支撑土方时，铺设临时用下基坑栈道，并与支撑混凝土结构施工时间错开。

（3）底板分层浇筑：在对地下1层底板进行浇筑时，除后浇带外，均采用斜面分层一次浇筑成型方法进行施工，分层厚度≤40cm，不留施工缝。由下层端部开始浇筑，逐渐向上移动。

（4）后浇带浇筑：套筒负责对后浇带钢筋进行连接，采用水泥砂浆保护外漏钢筋。完成主体结构施工后，记录2周内沉降数据，结合沉降情况决定是否进行沉降后浇带浇筑，浇筑前清理杂物和浮浆，使用高于两侧已浇筑部位的混凝土等级[4]。

（5）基础回填：在对地下1层、承台以及基坑侧壁间隙等基础结构进行回填时，先排出积水，并及时清理建筑垃圾、虚土，不得将其作为回填材料。回填土使用级配砂石，采用分层夯实方法，压实系数＞0.95。对于地下1层多个结构缝，选用中粗砂将空隙填实，压实系数同样＞0.95，并且注意避免回填材料对外墙防水层产生破坏。

3.2 现浇楼板

如果从抗震角度衡量曲面外墙高层建筑结构安全性，需控制其地震作用下所产生的扭转振动效应，为强化薄弱部位抗震效果，需将水平力下楼板变形控制到最小，并合理运用抗侧力构件，使水平荷载更加科学[5]，主要措施包括：

（1）提高层刚度：增加上下相邻层楼板和开洞层的厚度到12cm，强化楼板连续性，有效弥补多处大开洞所引发的层刚度下降问题。

（2）控制轴压比：对建筑结构中各墙柱轴压比进行有效控制，强化开洞层抗侧力构件自身的强度，使其具备良好的变形能力和延性，进而确保结构达到“强剪弱弯”和“强柱弱梁”的技术标准[6]。

（3）加大配筋率：多开洞可引发应力集中，因此通过增加开洞处楼板配筋率来降低应力。钢筋连接采用两种方式完成，分别为焊接和机械接头，于梁边合适位置锚固接板钢筋，双层双向配筋，间距≤150mm，使楼板能够发挥类似水平梁的作用[7]。对于开洞侧边梁，适当增加其截面面积，使其至少达到板厚的2倍，或者加大开洞侧边梁纵向的配筋率，使配筋率≥2%。

3.3 曲面模板

由于目前模板材料普遍适用于平面外墙，对于曲面外墙高层建筑而言，曲面模板加固施工不易确保承载力，会增加混凝土结构问题。为进一步提高曲面模板施工质量，确保抗震效果，曲面模板施工主要注意以下问题：

（1）多种模板配合：采用木模+钢模虽然可满足曲面外墙施工，但是拼缝处木模需要裁减，剩余材料往往无法继续使用，导致资源浪费。因此，先使用钢模作出平面，配合土模、沙模和泥模作出曲面，在发挥钢模强度高优势的基础上，利用泥沙土的高可塑性。

（2）曲面墙体浇筑：对于曲面外墙，流质混凝土浇筑过程中，可能导致上模板上浮，需要采取一定措施避免模板偏移而引发墙体尺寸偏差、漏浆等问题。剪力墙刚度高于楼板刚度，相较于设计值，其与支撑立杆之间的轴力呈偏大状态，施工时注意对剪力墙、支撑立杆（梁下）进行加密处理，使轴力接近设计值。

（3）局部异形模板制作：曲面外墙高层建筑容易产生局部异形，局部异形包括墙顶变标高异形、复合曲面模板、曲面相交部位角模等，结合异形部位特点，全部采用钢模，对模板面积、尺寸、使用数量等进行准确测量，根据测量结果制作钢模。

3.4 框支梁

在进行框支梁施工时，采取以下关键技术提高抗震施工效果：

（1）控制梁尺寸：框支梁施工既要兼顾抗震性能，也要充分考虑模板、混凝土使用量，在确保建筑结构抗震效果的同时，最大程度减少材料投入，节省更多成本。结合抗震性能计算结果，将梁宽度控制在60～70cm左右，且控制梁高度＜120cm。框支梁梁底沿跨度方向分布2根立杆，间隔50cm。

（2）优化箍筋设置：为提高整体结构的抗震性能，增加框支梁配筋率，导致焊接量增大，结合抗震性能计算结果，对框支梁箍筋布置进行优化，减少内置型钢的截面积，且尽量错开内置型钢和箍筋，节约钢材，提高施工效率。

（3）节点区浇筑：根据抗震性能测量，并结合文献[8]报道认为，框支梁与框支柱节点位置进行整体浇筑，且确保钢筋连续通过，有助于提高节点区域的抗震效果。同时，为预防地震时曲面外墙高层建筑出现灾害性裂缝，施工时整体实施分区域以及分段浇筑，框支梁则进行分层浇筑，注意合理控制分层高度，以≤30cm为宜。为了进一步提高钢筋与混凝土结构的握裹力，开展二次复振。

4 结束语

本文以某典型曲面外墙高层建筑为例，分析其抗震施工难点，并就结构特点计算项目抗震性能，根据计算结果，总结施工技术要点。针对地下结构抗震施工，提出控制地下水水位、土方开挖支撑、底板分层浇筑、后浇带浇筑、基础回填等抗震施工技术措施。对于现浇楼板抗震施工，通过提高层刚度、控制轴压比和加大配筋率来实现。在曲面模板施工中，通过多种模板配合、完善曲面墙体浇筑以及局部异形模板制作，达到良好抗震效果。而关于框支梁施工，则根据抗震相关计算结果，采用控制梁尺寸、优化箍筋设置、加强节点区浇筑方式来提高抗震性能。基于抗震性能分析所提出的曲面外墙高层建筑结构抗震施工技术，能满足抗震性能和经济性要求，可指导类似工程。