毛慧峰

(中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司 太原 030000)

結(jié)合我國當前的建筑結(jié)構(gòu)設計情況來看,絕大部分的高層建筑會迎合區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展以及民生建設需求,上層結(jié)構(gòu)作為住宅或旅館,中部則為辦公區(qū)域,底部的空間更為寬闊,通常為餐飲或娛樂場所。這種類型的高層建筑在墻體結(jié)構(gòu)以及空間布局方面,需要考慮不同樓層的受力情況,因此設置轉(zhuǎn)換層能夠緩解高層建筑受力不均的問題,對于提升建筑安全性和穩(wěn)定性有一定促進作用,而轉(zhuǎn)換層本身的設計,也需要關(guān)注質(zhì)量和穩(wěn)定性方面的問題。

1 高層建筑轉(zhuǎn)換層的理論概述

由于高層建筑為了迎合不同領(lǐng)域的實際需求,上、中、下選擇了3種不同的設計標準。下部結(jié)構(gòu)大部分為娛樂、休閑、餐飲空間為主,建筑內(nèi)部的墻體、支撐柱相對較少;中部則為辦公區(qū)域,內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)大多數(shù)為中等大小,空間劃分規(guī)范性較強,需要滿足常規(guī)的人員辦公需求以及日常會議需求,相對于下層結(jié)構(gòu)來講,中部結(jié)構(gòu)的支柱結(jié)構(gòu),以及墻體較為密集;上層結(jié)構(gòu)大部分為民用住宅、快捷酒店、旅館,這種類型的空間,在劃分的過程中考慮了常規(guī)住宅的設計需求,墻體和支柱較為密集,在空間劃分方面靈活性較強[1]。

以上這種控件設計方案,在當前絕大部分高層綜合性建筑中應用得較為廣泛,但也導致了不同的空間結(jié)構(gòu)受力情況、承重能力有較大差異,為了進一步滿足整體建筑為轉(zhuǎn)換層,來緩解其中受力不均導致的各項問題。轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設計與常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)設計有較大差異,首先轉(zhuǎn)換層需要承受上下結(jié)構(gòu)的集中荷載,上層結(jié)構(gòu)給予的豎向荷載以及下層結(jié)構(gòu)的多層荷載,會直接集中在轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上。因此該結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性、剛度必須滿足實際要求[2];其次,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)跨度通常較大,這就要求內(nèi)部構(gòu)件要有較強的撓度;再次,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的功能性較為復雜,在施工的過程中往往會存在較多難題,因此進行施工期間的細節(jié)把控是轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設計的重中之重。

2 高層建筑轉(zhuǎn)換層設計形式分析

隨著我國社會發(fā)展水平的逐步提升,綜合性高層建筑的數(shù)量也在不斷增加,不同的建筑工程,在設計的過程中要滿足不同需求,轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu),自身的設計也在應需求不斷進行調(diào)整,因此出現(xiàn)了多種類型的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式,也能夠起到不同的應用效果。

2.1 箱式形式

箱式形式是當前較為普遍的建筑結(jié)構(gòu),施工難度較低,在高層建筑轉(zhuǎn)換層施工中有著較為明顯的應用優(yōu)勢。同時該種類型的轉(zhuǎn)換層可以與建筑的整體規(guī)劃融為一體,不僅可以提升空間優(yōu)化的質(zhì)量,還能夠滿足常規(guī)的承載力設計需求,保證建筑工程的整體質(zhì)量符合標準。但是該種類型的轉(zhuǎn)換層在設計的過程中需要投入更多資金,與承建單位本身的實力以及建筑工程后續(xù)的經(jīng)濟效益有一定關(guān)聯(lián)[3]。

2.2 梁式形式

梁式轉(zhuǎn)換層但結(jié)構(gòu)較為簡單,前期預算成本較低,對于當前絕大部分的高層建筑都有適配性。在施工過程中難度較低,能夠提升施工效率,也可以維持原有的施工進度控制計劃。但是該種類型的轉(zhuǎn)換層很難承受更大的承載力,對于高層建筑的層數(shù)有一定要求,若上部結(jié)構(gòu)的承重力較高,不宜采取梁式轉(zhuǎn)換層。

2.3 桁架式形式

桁架轉(zhuǎn)換層能夠?qū)⒏邔咏ㄖ母鱾€功能區(qū)進行連接,該種類型的轉(zhuǎn)換層具備更強的整體性以及系統(tǒng)性,這是在高層建筑中應用的核心優(yōu)勢,能夠降低附屬性設施施工的難度,比如為管道施工提供更加便捷的系統(tǒng);抗震能力較強,在長期使用之后,依舊可以維持著較好的效果,后期不需要花費更多的時間和精力進行維護[4]。但設計難度較大,對于工程進度造成一定影響,同時要求設計人員和施工人員有著更高的水平。

高層建筑轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設計要同步滿足承載力、空間轉(zhuǎn)換、功能分區(qū)配置的需求,還需要與高層建筑設計過程中的其他附屬性工程進行對接,要提升整體工程的綜合質(zhì)量,還需要為工程綜合效益的提升奠定基礎(chǔ)。設計人員需要結(jié)合建筑工程的實際情況,合理地設計轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的形式,從而提升工程的整體質(zhì)量。

3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的應用案例及細節(jié)分析

為了進一步提升文章論述的科學性和有效性,本文建立在具體案例的基礎(chǔ)上進行細節(jié)分析,圍繞著高層建筑施工設計的具體需求,明確轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設計和施工期間的典型細節(jié),確保能夠為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供參考。

3.1 工程概況

某工程作為商業(yè)中心綜合高層建筑,總建筑面積約為3萬m2,工程高度64.8 m,地下兩層,地上18層。整體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu);工程安全等級為二級,使用年限為50年。

綜合該工程當前的規(guī)劃情況來看,主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近竣工,為了滿足建筑不同空間的功能需求,在工程的7～9層取消了支柱,為了承托上層結(jié)構(gòu),同時作為下部第7層的銜接在8層以及9層設置了轉(zhuǎn)換桁架,結(jié)合其功能劃分成了兩個不同的結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)換桁架A、B負責承載第11層以及第10層的荷載,轉(zhuǎn)換桁架A 的下方懸掛了兩個框架柱,負責吊住第7層。兩個轉(zhuǎn)換桁架之間的距離設計為15.6 m,高度選擇3.6 m,坐落在兩側(cè)的同方向筒體墻上,轉(zhuǎn)換桁架框架和墻體內(nèi)的內(nèi)置鋼筋骨架進行連接。由于受到施工的影響,在電梯門處進行了構(gòu)造加強,來滿足整體結(jié)構(gòu)剛度的需求。

3.2 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設計與細節(jié)把控

3.2.1 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案分析

在設計轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的整體方案之前,針對建筑工程的具體形式進行了分析,初步考慮了采用混凝土墻、轉(zhuǎn)換大梁等方式進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。但是該種方法所形成的轉(zhuǎn)換層和下層之間依舊存在剛度突變,難以符合建筑工程的整體規(guī)劃需求,過大的剛度不僅會導致結(jié)構(gòu)受力情況不穩(wěn),在地震多發(fā)的環(huán)境下,墻體也很容易出現(xiàn)彈塑性和塑性階段的應力分布不規(guī)律且延性較差。

因此通過前期的工程試驗和可視化模擬,確定了使用桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),尤其利用鋼制的轉(zhuǎn)換桁架可以進一步解決剛度分布不均勻的問題,也可以提升建筑空間利用效率,明確具體的受力狀態(tài),且自重較小,對于整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提升有較強促進作用[5];也可以消除鋼筋混凝土桁架容易出現(xiàn)剪切脆性破壞的隱患。確定了初步設計方案之后,建立在建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析的基礎(chǔ)上,進行細節(jié)計算,能夠得到鋼桁架的內(nèi)力、計算中采用既能考慮面內(nèi)剛度、面外剛度的殼單元,通過可視化模擬的方式打造了工程立體可視化模擬圖,計算了轉(zhuǎn)換層的水平,雙向地震作用以及豎向地震作用,考慮施工期間對于上下框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響,還針對整體結(jié)構(gòu)的彈性動力時程進行了分析,確定整體轉(zhuǎn)換層能夠為高層建筑的穩(wěn)定性提升奠定基礎(chǔ)。

3.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的測定

轉(zhuǎn)換層的高度確定之后需要選取桁架桿件截面,能夠滿足轉(zhuǎn)換層自身高度以及承載力設計需求。綜合考慮地震反應、結(jié)構(gòu)豎向剛度問題,重新分析了上部支撐結(jié)構(gòu)的沉降問題,為了避免次應力的出現(xiàn),通過多項對比確定了最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)。上弦桿翼緣寬度300 mm、柱寬600 mm,柱縱筋繞過翼緣彎折錨固到框架梁結(jié)構(gòu)上,能夠避免二者之間的連接問題,同時也可以保證后續(xù)混凝土澆筑的綜合質(zhì)量符合標準。最終,上弦桿截面參數(shù):H600×300×20×30,下弦桿截面參數(shù):H700×300×20×30,端部斜腹桿截面參數(shù):H600×300×20×30,中間斜腹桿和直腹桿:H400×300×16×20,材質(zhì)均選擇Q345C焊接工字鋼截面。

3.2.3 受力情況的計算

從理論角度來講,轉(zhuǎn)換層的受力情況需要考慮混凝土柱的實際配筋量、鋼桁架腹桿受剪承載力的總和。但是本工程的轉(zhuǎn)換桁架將兩端固定在了建筑結(jié)構(gòu)的混凝土剪力墻上,在施工的過程中,對于混凝土墻體的允許變形較小,而轉(zhuǎn)換桁架想要達到受剪承載力需要很大的變形,通常為墻體開裂變形的三倍以上,同時鋼制的轉(zhuǎn)換桁架自身承載力有著更多的安全富余度,在未達到承載力極限之前,兩端的混凝土出現(xiàn)局部開裂的情況較大。為了造成不必要的資源浪費,本工程針對轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的下層兩側(cè)墻體進行了結(jié)構(gòu)加強,通過水平配筋的方式,將其受剪承載力之比調(diào)整為0.67,在滿足常規(guī)規(guī)范標準的基礎(chǔ)上,又增強了整體結(jié)構(gòu)的承載力,能夠滿足實際結(jié)構(gòu)設計需求。

3.3 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設計

3.3.1 抗震設計

由于本工程位于地震多發(fā)的地區(qū),為了進一步提升工程的穩(wěn)定性,增強轉(zhuǎn)換層自身的剛度,針對轉(zhuǎn)換層進行了抗震加強。首先,所有和轉(zhuǎn)換桁架相連的整體結(jié)構(gòu)進行部位配筋,提升墻體的穩(wěn)固性。在轉(zhuǎn)換桁架的上下弦桿的上表面與混凝土樓板之間設置了栓釘,確保樓面水平力也可以在轉(zhuǎn)換層中順利傳遞。其次,針對轉(zhuǎn)換層上下的樓板進行適當加厚,并且配置雙層雙向鋼筋,配件率控制在0.3%以上[6]。依托信息技術(shù)利用可視化模擬的方式,確定了轉(zhuǎn)換層和上下樓層樓板之間的受力情況,結(jié)合應力分布情況進行區(qū)域加強。再次,轉(zhuǎn)換層制作內(nèi)部設置了型鋼結(jié)構(gòu),與抗震墻之間保持300 mm 的對接深度,且確保墻體內(nèi)部的鋼筋骨架與轉(zhuǎn)換桁架的隔板相連。在水平力作用下,轉(zhuǎn)換桁架這兩端與混凝土結(jié)構(gòu)之間保持整體,不會輕易脫離。

3.3.2 連接構(gòu)造的設計

在本次施工的過程當中,鋼骨混凝土最大的施工難題在于框架梁柱節(jié)點區(qū)域的施工,由于框架梁的主筋穿越了鋼骨柱,在施工的過程中容易受到多方影響,若處理不妥當,受力關(guān)鍵位置可能會成為薄弱位置。等工程在前期設計的過程中,從施工技術(shù)角度進行了創(chuàng)新。鋼骨柱翼緣相交的混凝土框架梁與鋼骨的連接方法,主要利用鋼筋主筋與鋼牛腿翼緣板相焊接的方式,與腹板相交的混凝土框架梁,則利用了縱筋穿過腹板或繞過翼緣,確保上弦節(jié)點與上部柱的中心對齊,進一步降低面外受力的概率,能夠讓所有的應力集中在轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)上。這些連接方式進一步解決了混凝土梁板柱和型鋼之間的連接問題,能夠為整體工程的穩(wěn)定性和整體性提升奠定基礎(chǔ),又可以最大化轉(zhuǎn)換層的價值。

3.4 施工細節(jié)把控

在具體施工的過程中為了提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性,需要把控其中的重難點問題。

首先,在支護與拆模方面,原有的設計方案是主體結(jié)構(gòu)完成施工結(jié)束之后將支撐鋼桁架的腳手架拆除,但是這對于下部結(jié)構(gòu)的非主體施工會造成影響,也會額外增加一部分施工費用。后續(xù),在實際施工的過程中調(diào)整為,在主體結(jié)構(gòu)設計強度達到100%之后更可以拆除腳手架,上部結(jié)構(gòu)的荷載集中由轉(zhuǎn)換桁架承擔[7]。實踐證明利用這樣的方式也能夠充分滿足實際施工要求。其次,懸掛柱的設計對于下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性將產(chǎn)生最直接影響。為了避免豎向位移導致懸掛柱的穩(wěn)定性下降,避免帶來的次應力,在懸掛柱中部設置500 mm 寬的后澆塊,建筑主體結(jié)構(gòu)施工結(jié)束之后再進行后澆塊的施工,能夠降低對下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

再次,在施工的過程中進行全過程監(jiān)測,主要分析轉(zhuǎn)換桁架個別桿件的應變、位移情況,通過全過程智能監(jiān)測和模擬驗算施工的合理性,而檢測的結(jié)果也將為后續(xù)的支模和拆模提供真實的力學依據(jù)。

在高層建筑結(jié)構(gòu)規(guī)劃的過程中,轉(zhuǎn)換層的設計能夠為建筑整體穩(wěn)定性的提升奠定基礎(chǔ),也可以為建筑功能的劃分提供充足空間。在轉(zhuǎn)換層設計的過程中,要善于利用信息技術(shù)打造可視化的模擬體系,能夠精準計算承載力,讓應力分布可視化,為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。在施工期間還需要通過多項比對了解轉(zhuǎn)換層的剛度和承載力,采取行之有效的方式,提升整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,尤其要將重點放置在連接節(jié)點方面,制定全過程監(jiān)測體系,來滿足高層建筑施工的具體需求。