高层建筑梁式转换层结构设计与施工实例探讨

摘要：本文结合一幢高层建筑的梁式转换层，介绍了该转换层的结构设计方法及施工技术。具有一定的参考价值。

关键词：高层建筑；梁式转换层；结构设计；施工方法

1　工程概况

某高层建筑，地下1层，地上22层，总建筑面积为26020m2。1～4层为商业用房，1层层高5.10m，2～4层层高4.10m，采用框架一筒体结构。5～22层为住宅，层高3.20m，采用剪力墙一筒体结构。这样，就需要在第4层与第5层之间设置结构转换层，同时兼作设备层。部分转换粱的断面分别为：800mm×1800mm、1000mm×1800mm、600mm×2000mm、1000mm×2000mm，最大跨度为9m，连续跨长为34m(五跨)，混凝土强度设计等级为C40。

2　转换层构件的设计

2.1　结构整体分析

采用TBSA510进行。转换梁本身是杆件，可直接按梁单元参加到结构整体分析中，梁的轴线定在转换层上层楼板处。为防止沿竖向刚度变化过于悬殊形成薄弱层，设计中应考虑使上、下层刚度比Y≤2，尽量接近1。

式中Gi、Gi+1――第i、i+1层混凝土剪变模量；

Ai、Ai+1――第i、i+1层折算抗剪截面面积；

Aw――在所计算的方向上剪力墙的全部有效截面面积：

Ac――全部柱的截面面积；

w――第i、i+1层的层高。

按此，转换层下层柱子截面尺寸取1100mm×100mm，主要剪力墙厚500mm、450mm，混凝土强度等级C45；转换层上层四周剪力墙厚350mm，内剪力墙厚250mm，混凝土强度等级C45。按式(2)计算得两主轴x、y方向的Y值分别为1.73和1.51。计算结果表明，结构前三个自振周期为：x方向，1.537s，O.449s，0.224s；y方向，1.717s，O.515s，O.275s；层间最大侧移和顶点位移均满足“高层规程JGJ3-91”的要求。

2.2　转换梁设计

转换梁承托上部剪力墙，受力很大，是保证结构安全的关键结构构件。转换梁跨度8.05～9.Om，截面高度2.5m，跨高比3.22～3.6，属连续短梁。我国混凝土结构设计规范GBJ1O-89没有明确给出其承载力计算方法，为此，进行了两跨连续短梁的试验研究。

(1)主要试验结果

试验梁是转换梁的1/5缩尺模型。截面尺寸及配筋如图2所示试验研究结果表明：

①正截面平均应变基本符合平截面假定。

②斜裂缝首先在加载点至中支座的内剪跨区段的梁腹中部出现，属腹剪斜裂缝，并最终发展为临界斜裂缝。

③根据底部纵筋和顶部纵筋沿梁长方向的应变分布。可见，纵筋沿梁长方向的应变分布，在斜裂缝出现前，与弯矩图是一致的；在斜裂缝出现后，则与弯矩图存在较大差别，说明梁内产生了较大的应力重分布；至梁接近破坏时，底部纵筋沿梁长全部处于受拉状态，顶部纵筋在内剪跨内也基本处于受拉状态。

④试验梁破坏时，内剪跨区段内，穿越临界斜裂缝的箍筋受拉屈服，剪压区混凝土压疏；加载点至边支座的外剪跨区段内，穿越斜裂缝的箍筋应变约为屈服应变的53％，剪压区混凝土没有压疏。

⑤试验梁破坏时，穿越临界斜裂缝的水平腹筋的拉应变约为屈服应变的50％，可见，水平腹筋没有充分发挥其强度。

⑥试验梁的最大相对挠度f/l=3.42/1800=1/526，说明转换梁有足够的抗弯刚度。

(2)承载力计算

根据试验结果(1)，建议转换梁正截面受弯承载力仍按普通梁计算。

根据试验结果(4)、结果(5)，转换梁斜截面受剪承载力主要由混凝土和箍筋承担，水平腹筋对斜截面受剪承载力有一定贡献，约占11％。因此，可不考虑水平腹筋的作用，将其作为安全储备。建议斜截面受剪承载力按式 (3)计算：

(2)式中λ――计算剪跨比；

ft――混凝土抗拉强度设计值；

fw――箍筋抗拉强度设计值：

Asv――配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；

s――箍筋的间距；

b――转换梁截面宽度。

Ho――转换梁截面有效高度

(3)有关构造要求

根据试验结果(3)，为确保转换梁在斜裂缝出现后，纵筋能起拉杆作用，形成桁架受力体系，底部纵筋不宜在跨内弯起或截断，而应全部伸入支座内，并有可靠锚固；顶部纵筋在跨中附近不宜过早截断，最好通长布置。转换梁截面尺寸较大，沿梁高应配置一定数量的水平腹筋。水平腹筋可以提供一定的受弯、受剪承载力，同时，对抑制裂缝的开展，减小温度和混凝土收缩的影响都有一定作用。转换梁截面尺寸一般由剪压比控制。根据试验结果(2)，并参照薄腹梁和深梁的截面尺寸限制条件，建议转换梁截面尺寸应满足式(1)的要求。此外，转换梁在结构中是非常重要的结构构件，是保证结构安全的关键之一，在正常使用状态，一般不允许出现斜裂缝，截面尺寸还应满足：

Vs≤O.5ftkbh

(4)

式中Vs为不考虑地震作用的转换梁支座截面剪力短期效应组合值。

3　施工技术

3.1　施工方案的选择

转换层结构混凝土施工有一次浇筑和二次浇筑两种方案。一次浇筑的优点是结构整体性好，钢筋安装质量易保证，施工速度快；缺点是支模难度大，支撑材料用量大。二次浇筑的优点是浇筑第二层混凝土时的自重可充分利用第一层已达到一定强度的混凝土承担，支撑用量少；缺点是对结构的整体性有一定影响，分层面处理较困难，施工速度慢。经过计算，转换层大梁施工时最大垂直荷载为70.KN/m2，各栋转换层以下的楼板及地下室顶板不能满足支承转换层大梁的最大施工荷载，必须把转换层荷载有效地传到地下室底板方能确保施工安全，因此，选用一次性浇筑转换层的施工方案，垂直荷载采取有效措施传至地下室底板。

3.2　模板工程

转换层结构施工的支模方法与所采用的浇筑方案及具体的施工条件有关。一般常采用的支撑体系有：1)钢管排架支撑；2)钢桁架支撑；3)增设钢或混凝土临时支柱，配合钢管排架或钢桁架支撑。由于转换梁截面大，楼层较高，施工过程中的支撑稳定最为关键，经过对钢管排架支撑与钢桁架两种支撑方案的

综合分析、对比，钢排架支撑无论从工期还是从费用上均明显优于钢衍架支撑，故最终选用钢排架支撑方案。经过对转换梁及其支撑系统的初步计算，如图3所示，撑体系采用φ48x3.5钢管，立杆间距为500×500(根据用作主龙骨的方木计算跨度确定，主龙骨跨度为500mm)，每隔1500mm设置一道水平拉杆，上下道水平拉杆距立杆端部不大于200mm，在立杆上设可调式顶托。主龙骨为两根50×100方木并排搁于顶托上，间距500mm，次龙骨为方木50×100@200mm，单根坚放。梁侧模侧模上、下口压条500×100，竖楞50×100，间距250mm；用φ48×3.5钢管及φ14对拉螺杆拉紧，对拉螺杆间距为500×500。转换层模板采用1830×915X18胶合板，大梁底板及两侧模板为双层胶合板之间夹一层塑料薄膜，以便对混凝土进行保温、保湿的养护。为确保转换层大梁的施工荷载能有效地传递至地下室底板，转换层下方的楼板模板采用与转换层同样的支撑体系，并弹线使上下层立杆位置相对应。

3.3　钢筋工程

由于转换大梁钢筋配置量大，质量要求较高，钢筋的原材质量和主筋连接是质量控制的重要环节。

(1)钢筋加工

如钢筋的连接采用搭接连接，梁柱交叉的核心区钢筋交叉很密，混凝土无法下落，因此对于φ22以下钢筋连接采用对焊连接，对于φ22及其以上的钢筋采用直螺纹套筒连接。

①钢筋端加工螺纹前，不得有弯曲现象，且端面要求平整。

②切断钢筋应用砂轮锯片，不允许用气割或冲剪。

③直螺纹加工，应在专业用机床上进行，应采用水溶性切割冷却液，不允许用油类冷却液或无冷却液加工。

④钢筋锥螺纹加工以后，应逐个用环规检验合格，不允许有烂牙现象，螺纹牙形表面要求光洁。

⑤经检验合格后的钢筋直螺纹，立即旋上塑料保护套或与之匹配的连接套，连接套的另一端仍应安装塑料保护盖，并妥善堆放。

(2)现场安装

①钢筋连接时，应检查钢筋和连接套规格是否一致。

②外观检查钢筋和连接套锥螺纹是否完好，如发现螺纹面有杂物，应予以清理。

③钢筋连接套若埋入混凝土内，应按钢筋混凝土结构施工规定另行加电焊固定，且必须埋设牢固，其中心偏差，按有关钢筋混凝土结构施工规范和设计图执行，不得有偏斜现象。

④钢筋锥螺纹连接时，应使用专用扭力扳手，将其拧紧到规定的扭矩值。

⑤参加钢筋锥螺纹连接的施工人员，包括技术管理、质检、操作工人均须参加技术培训，获合格证书后方可上岗。

转换梁的钢筋均在地面加工成形，为防止在吊装的过程中造成钢筋弯曲等变形，用塔吊并配以特制的桁架吊至施工楼层。转换大梁钢筋绑扎时采用脚手钢管作临时支撑，分层摆放完毕后，穿箍筋、落位、绑扎成型，钢筋绑扎顺序为：搭设支撑排架铺钢筋套梁箍筋绑扎就位穿拉筋绑扎。主次梁交叉处的钢筋纵横交错，极易上下错位。为此，在钢筋吊装前，应对加工成形的钢筋逐一编号，按编号的顺序吊装、铺放。这样绑扎成形后的转换梁很规范。梁底筋分层采用φ32垫块@2000层层设置，梁底及侧面保护层采用25钢筋垫块控制。

(3)注意事项

①梁柱主筋接头均采用锥螺纹连接，梁主筋尽量通长配置，接头的钢筋截面面积不应超过全部钢筋截面面积的25％，并考虑避免位于上部墙体开洞部位下。

②由于转换层结构受力复杂，设计要求较高，因此在施工中对一些梁柱节点构造措施的要求较严格。

③由于结构转换层的抗裂度要求较高，梁柱钢筋尽量不以大直径钢筋代换小直径钢筋。

3.4　混凝土工程

(1)充分做好混凝土浇筑前的准备工作。浇筑前首先要完成模板体系、脚手架支撑体系验收，其次要了解施工阶段的天气情况是否允许连续浇筑，现场施工机械的工作状态是否可以满足连续浇筑的要求，施工备用机械是否按要求到位，输送泵的数量一定要满足整体转换层结构混凝土的连续施工确定。

(2)按照预先确定好的施工顺序，合理组织有序施工。为了避免接茬时间过长，导致冷缝的出现，混凝土的施工沿纵向按斜面分层循序推进法进行施工，斜面分层厚度不超过500mm，混凝土的振捣必须考虑振动棒的作用半径。由于转换梁的钢筋较密，转换梁混凝土的振捣采用3O振动棒进行振捣。每个插入点的振捣时间控制在10～30s，以混凝土开始泛浆不冒气泡为准，振捣时振点要布置均匀，间距不大于40cm，快插慢拔。对大梁交叉点及上部钢筋插筋的钢筋较密集的地方，要着重加强振捣。

(3)混凝士的收面采用“一平、二压、一光、一拉毛”的施工工艺，加强混凝土收面的二次抹压，并及时用塑料薄膜覆盖加以覆盖养护，严格控制混凝土表面裂缝。

3.5　裂缝的控制

为防止混凝土沉降而产生的塑性裂缝，在梁柱相交的核心区混凝土浇筑完毕约1～1.5h后并应在初凝前，用直径为33mm的振动棒二次振捣，振动棒插入梁下500mm为宜。经过热工计算，在混凝土浇筑完毕12h以内，在转换梁上先覆盖一层塑料薄膜，再用1cm厚的麻袋覆盖整个楼面，即可使混凝土中心最高温度与表面温度之差控制在22℃以内，能够有效的防止温差裂缝的产生。

4　总结

本文讨论的只是高层建筑梁式转换层结构的设计和施工方法之一，对高层建筑转换层受力特性还有许多需要研究的地方，在对转换层进行设计时应结合工程实际情况选择合适的方法。该楼转换层通过采用以上方法施工，不但降低了施工难度，节省了施工成本，而且取得了可观的经济效益。开始施工至上部结构全部施工完成时，混凝土表面没有发现任何裂纹，经检测，混凝土强度满足设计要求，主体结构一次性获优良。