賀 勇

摘要:文章針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)形式日益大型化、復(fù)雜化,給施工帶來許多新的難度的問題,探討了高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)施工技術(shù),包括結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的特點(diǎn)、轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、抗震性能、梁式和桁架式轉(zhuǎn)換等注意事項(xiàng),對(duì)工程施工有著十分重要的意義。

關(guān)鍵詞:高層建筑;轉(zhuǎn)換層;抗震性能;梁式;桁架式

中圖分類號(hào):TU378文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)22-0147-02

轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的跨度和承受的豎向荷載均很大,致使轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸不可避免地高而大。目前應(yīng)用最為廣泛的混凝土梁式轉(zhuǎn)換層中一般轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的截面高度為跨度的1/4~1/6,實(shí)際工程中轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)常用截面高度為1.6~4.0m,只有在跨度較小或承托的層數(shù)較少時(shí)才采用較小的截面高度0.9~1.4m,而跨度較大且承托的層數(shù)較多或構(gòu)造條件特殊時(shí)則采用較大的截面高度4.0~8.2m,如此高大的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)其連續(xù)施工強(qiáng)度大,施工過程復(fù)雜,給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來了相當(dāng)大的難度。在混凝土轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)施工中,其關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐系統(tǒng)的設(shè)置和混凝土施工方案的確定,上述每一項(xiàng)施工技術(shù)都是轉(zhuǎn)換層施工中的嶄新課題。為確保轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的施工能夠順利、有效地完成,這就要求其施工能根據(jù)工程的實(shí)際情況,方便地運(yùn)用一些比較成熟的理論,并結(jié)合類似工程的經(jīng)驗(yàn),快速、有效地解決以上問題。

一、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的特點(diǎn)

高層建筑中轉(zhuǎn)換層的突出特點(diǎn)主要有兩個(gè)方面:一是轉(zhuǎn)換層通常設(shè)置在建筑物的下部,在它的上面承受著幾十層的荷載,受力復(fù)雜,它的破壞將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。由于設(shè)計(jì)時(shí)分析方法的限制,對(duì)各種形式轉(zhuǎn)換層難以做到精確分析;另一方面是轉(zhuǎn)換層部位地震反應(yīng)強(qiáng)烈。由于轉(zhuǎn)換層承受荷載巨大,導(dǎo)致其截面超出常規(guī),鋼材耗用量大、剛度大,重量也較一般樓層顯著加大。

高層建筑水平力起控制作用,在地震區(qū),一般要求樓層的質(zhì)量和剛度均勻變化,不宜有突變,否則在地震作用下易產(chǎn)生薄弱層。高層建筑在轉(zhuǎn)換層質(zhì)量和剛度的變化導(dǎo)致該部位地震反應(yīng)加大。另外,轉(zhuǎn)換層的巨大截面還會(huì)給施工帶來許多不方便。如武漢新世界中心,轉(zhuǎn)換層采用1.6m厚的厚板,這種厚度的板不但配筋、混凝土澆筑困難,施工質(zhì)量難以控制,而且施工時(shí)對(duì)其下部的模板支撐體系要求嚴(yán)格。0.5kN/m2以上的澆筑重量,常規(guī)的模板支撐不適用,還需另行設(shè)計(jì)制作,增加了工程的費(fèi)用。一般地,由于轉(zhuǎn)換層以上是小開間的剪力墻結(jié)構(gòu),而轉(zhuǎn)換層以下是以柱為主要承重的大空間結(jié)構(gòu)。很明顯,轉(zhuǎn)換層以上的結(jié)構(gòu)剪切剛度大于轉(zhuǎn)換層以下的結(jié)構(gòu)剪切剛度,這必須進(jìn)行調(diào)整。

二、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的施工特點(diǎn)

部分豎向構(gòu)件在轉(zhuǎn)換層處被打斷,使豎向力的傳遞被迫發(fā)生轉(zhuǎn)折,而轉(zhuǎn)換層就是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)折功能的大型水平構(gòu)件。帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑是一受力復(fù)雜、不利抗震的結(jié)構(gòu)體系,該結(jié)構(gòu)及其支撐系統(tǒng)有自身的特點(diǎn)。

眾多高層建筑采用梁式轉(zhuǎn)換層進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換,這主要是由于:

(一)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)

1.帶轉(zhuǎn)換層的多高層建筑,轉(zhuǎn)換層的下部樓層由于設(shè)置大空間的要求,其剛度會(huì)產(chǎn)生突變,一般比轉(zhuǎn)換層上部樓層的剛度小,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施減少轉(zhuǎn)換層上、下樓層結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度及承載力的變化,以保證滿足抗風(fēng)、抗震設(shè)計(jì)的要求。轉(zhuǎn)換構(gòu)件為重要傳力部位,應(yīng)保證轉(zhuǎn)換構(gòu)件的安全性。

2.8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)除考慮豎向荷載、風(fēng)荷載或水平地震作用外。還應(yīng)考慮豎向地震作用的影響,轉(zhuǎn)換構(gòu)件的豎向地震作用,可采用反應(yīng)譜方法或動(dòng)力時(shí)程分析方法計(jì)算;作為近似考慮,也可將轉(zhuǎn)換構(gòu)件在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的內(nèi)力乘以增大系數(shù)1.1。

(二)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

從抗剪和抗沖切的角度考慮,轉(zhuǎn)換板的厚度往往很大。一般可達(dá)2.0m~2.8m。這樣的厚板一方面重量很大,增大了對(duì)下部垂直構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)要求,另一方面本層的混凝土用量也很大。

轉(zhuǎn)換梁常用截面高度為1.6~4.0m,只有在跨度較小以及承托的層數(shù)較少時(shí)才轉(zhuǎn)換梁常用截面高度0.9~1.4m,而跨度較大且承托較大且承托的層數(shù)較多時(shí),或構(gòu)件條件特殊時(shí)才采用較大的截面高度4.0~8.2m。

(三)抗震性能

由于厚板集中了很大的剛度和質(zhì)量,在地震作用下,地震反應(yīng)強(qiáng)烈。不僅板本身受力很大,而且由于沿豎向剛度突然變化,相鄰上、下層受到很大的作用力,容易發(fā)生震害。以往的模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究表明,厚板的上、下相鄰層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯裂縫和混凝土剝落。另外,試驗(yàn)還表明,在豎向荷載和地震力共同作用下,板不僅發(fā)生沖切破壞,而且可能產(chǎn)生剪切破壞,板內(nèi)必須三向配筋。

從已設(shè)計(jì)的工程來看,帶有厚板轉(zhuǎn)換層的商住建筑,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工都比較復(fù)雜,材料用量和造價(jià)都較高,而且抗震設(shè)計(jì)上的問題較多,目前還在進(jìn)一步研究,所以采用這種結(jié)構(gòu)形式要慎重對(duì)待。

三、梁式和桁架式轉(zhuǎn)換層

目前在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的轉(zhuǎn)換層主要結(jié)構(gòu)形式有:梁式(墻梁式)、空腹桁架式、斜桿桁架式、箱形和板式等。其中梁式轉(zhuǎn)換層應(yīng)用最為廣泛,它設(shè)計(jì)和施工簡(jiǎn)單,受力明確,一般應(yīng)用于底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)體系中。轉(zhuǎn)換梁可沿縱向或橫向平行布置;當(dāng)需要縱、橫向同時(shí)設(shè)置時(shí),可采用雙向梁的形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置。單向托梁、雙向托梁連同上、下層較厚的樓板共同工作,可以形成剛度很大的箱形轉(zhuǎn)換層。當(dāng)上、下柱網(wǎng)軸線錯(cuò)開較多,難以用梁直接承托上下結(jié)構(gòu)布置的轉(zhuǎn)換時(shí),則需將樓板做成厚板,形成板式轉(zhuǎn)換。板式轉(zhuǎn)換層的上下結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)可以進(jìn)行靈活布置,毋需與上層結(jié)構(gòu)對(duì)齊,但自重很大,且材料耗用較多。

(一)轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)的傳力方式來看,轉(zhuǎn)換桁架具有傳力明確,傳力途徑清楚,但構(gòu)造和施工復(fù)雜。另一方面,轉(zhuǎn)換桁架不僅使開洞與設(shè)置管道具有條件,而且它們的位置與大小都有很大的靈活性,使充分利用該轉(zhuǎn)換層的建筑空間成為可能。

(二)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來看,采用轉(zhuǎn)換桁架其鋼材和混凝土的用量比采用轉(zhuǎn)換梁要經(jīng)濟(jì)。表1為某建筑,建筑面積5萬m2,主體建筑地上35層,地下2層,為滿足建筑功能的要求在第6層設(shè)置轉(zhuǎn)換層。若采用轉(zhuǎn)換梁方案,其截面尺寸需1.4m×3.0m;若采用轉(zhuǎn)換桁架方案,各桿分別為1.0m×1.2m×1.0m。

(三)抗震性能

桁架轉(zhuǎn)換層的節(jié)間采用輕質(zhì)建筑材料填充,有利于減輕結(jié)構(gòu)的自重,而且轉(zhuǎn)換桁架的抗側(cè)力剛度比轉(zhuǎn)換梁要小,也就是說,具有桁架轉(zhuǎn)換層的高層建筑其質(zhì)量和剛度的突變要比帶轉(zhuǎn)換梁的高層建筑緩和。因此,地震反應(yīng)要比帶轉(zhuǎn)換梁的高層建筑要小得多。

四、結(jié)語

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,高層建筑蓬勃興起。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中,為滿足上下樓層不同建筑功能的要求,需在結(jié)構(gòu)布置差異較大的樓層中間設(shè)置轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層的設(shè)置起到傳承上部結(jié)構(gòu)荷載,保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用,是建筑結(jié)構(gòu)中的重要部位,也是建筑施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。其施工技術(shù)牽涉到力學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工程管理學(xué)等多項(xiàng)學(xué)科,是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程。與此同時(shí),高層建筑轉(zhuǎn)換層的施工技術(shù)已越來越成為工程界關(guān)注的課題。目前絕大多數(shù)高層建筑根據(jù)功能及結(jié)構(gòu)的需要都設(shè)有轉(zhuǎn)換層。

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