高層框架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工

高層框架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工

1高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)施工技術(shù)為了滿足上層和下層框架的不同長度要求，構(gòu)建了這種結(jié)構(gòu)，以滿足下層不同的使用功能。許多高層綜合樓建筑常在下部數(shù)層內(nèi)遇到需要轉(zhuǎn)換的情況。這就是本文著重討論的低位轉(zhuǎn)換情況。作為低位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)本身除了要承受層內(nèi)的荷載外,往往承托著上部框架傳來的巨大豎向荷載。同時,由于力的傳遞途徑發(fā)生了很大的改變,因而靠近底部的結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)與邊界條件更為復(fù)雜。然而,有關(guān)預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工方法,現(xiàn)行規(guī)范尚未涉及。因此,對轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在設(shè)計和施工中的一系列技術(shù)問題必須謹(jǐn)而慎之。本文以浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院辦公大樓為工程實例,結(jié)合該工程的設(shè)計與施工實際,介紹了結(jié)構(gòu)分析和預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換桁架設(shè)計、施工、監(jiān)測等方面采取的技術(shù)措施,可供同行參考。2易于施工,有利于結(jié)構(gòu)抗震高層框架在低位需要轉(zhuǎn)換時,桁架(包括空腹桁架)是最合適的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式。這是因為:從結(jié)構(gòu)特性上來說,為了傳遞上部框架柱的集中荷載,正是充分利用了桁架結(jié)構(gòu)固有的承受節(jié)點荷載的特點;可以利用一層乃至數(shù)層的結(jié)構(gòu)高度布置桁架,提高轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的剛度,大大減少結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力增幅;同時由于上部框架柱-桁架斜腹桿-下部框架柱這一傳力途徑非常明確,很容易通過選定桿件的截面使轉(zhuǎn)換層上下部結(jié)構(gòu)的豎向剛度避免突變,有利于結(jié)構(gòu)抗震。從施工技術(shù)上來說,盡管現(xiàn)澆桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點較為復(fù)雜,但畢竟是早為土建施工隊伍所熟悉,無非是桿件增大而已。而它在支模上卻比轉(zhuǎn)換梁(或厚板)具有獨特的優(yōu)勢,即把桁架的下弦或上弦節(jié)點作為施工期間的臨時豎向荷載支撐點,施工荷載計算簡明,施工控制可靠。從建筑上來說,桁架結(jié)構(gòu)占用建筑空間較少,若采用空腹桁架(局部采用豎腹桿),則轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)幾乎對建筑面積的使用無甚影響。從工程經(jīng)濟上來說,由于桁架結(jié)構(gòu)自重較小,一般僅需在下弦桿件上采用預(yù)應(yīng)力技術(shù),工程造價相對較低。3預(yù)應(yīng)力技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中的應(yīng)用設(shè)計混凝土桁架(或預(yù)應(yīng)力混凝土桁架)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)時,往往要經(jīng)過布置-試算-調(diào)整布置-結(jié)構(gòu)計算等過程,但以下一些基本原則是必須考慮的:(1)盡量利用框架樓層梁板作為桁架上下弦桿件,以減少構(gòu)件交叉。如另有需要,下弦桿可以不設(shè)在結(jié)構(gòu)樓層內(nèi),但會因此而產(chǎn)生短柱現(xiàn)象,對抗震不利。(2)由于低位轉(zhuǎn)換桁架上托的結(jié)構(gòu)層數(shù)較多,施工階段宜采取分批張拉預(yù)應(yīng)力。(3)施工階段的豎向荷載由臨時垂直支撐和逐步形成的框架柱共同承擔(dān),而臨時垂直支撐應(yīng)分擔(dān)的豎向荷載由各個預(yù)應(yīng)力張拉階段的受荷大小、支撐下基礎(chǔ)的承載力及支撐結(jié)構(gòu)本身承載能力互相協(xié)調(diào)確定。一般來說,能使這三者的數(shù)值越接近越好。(4)混凝土高層框架對支座的豎向位移非常敏感,結(jié)構(gòu)彈性分析表明,當(dāng)一般跨度的框架梁鄰近支座豎向位移之差達(dá)2%時,梁內(nèi)力最大將增加4倍之多。因此,嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的豎向變形顯得非常重要。于是往往采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)來進(jìn)行有效的變形控制,其基本原理是用張拉預(yù)應(yīng)力引起的反拱去抵消結(jié)構(gòu)正常工作時的撓度。而不加控制的反拱同樣對結(jié)構(gòu)不利,因而往往利用施工階段的上部荷載作為“壓重”,防止桁架出現(xiàn)過多的反拱。這種分期張拉的施工方法恰好提供了連續(xù)澆搗混凝土上部框架結(jié)構(gòu)的作業(yè)時間,有利于縮短工期。(5)預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)換桁架是高層框架結(jié)構(gòu)中特別重要的構(gòu)件,必須對其進(jìn)行施工監(jiān)測,以確保工程安全。監(jiān)測項目至少應(yīng)包括錨具配套組裝試驗、分批張拉的同步測試(錨后預(yù)應(yīng)力值和變形)。為了能隨時反映轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的工作狀況,建議在合適的部位留置永久觀測的儀表,以保證結(jié)構(gòu)的健康工作。4預(yù)應(yīng)力混凝土框架體系浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院綜合辦公樓工程位于杭州市環(huán)城西路與天目山路交叉口,建筑面積20500m2,地下室一層,地上14層,局部15層。該工程采用全現(xiàn)澆混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系,按6度抗震設(shè)防?；A(chǔ)采用靜壓Φ600高強預(yù)應(yīng)力混凝土管樁。工程于1999年11月結(jié)頂,2000年底裝修完畢,2001年3月投入使用。本工程標(biāo)準(zhǔn)層柱網(wǎng)平面見圖1。因建筑立面要求,為擴大主入口跨度,以表現(xiàn)交通設(shè)計行業(yè)大步跨越的個性,在A軸框架的2～4層布置了一榀跨度為19.2m的預(yù)應(yīng)力混凝土桁架作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(圖2)。底層與4層以上的柱子斷面統(tǒng)一,從而保持結(jié)構(gòu)豎向剛度均勻一致。4.1施工結(jié)果分析本工程采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM系列的TAT軟件進(jìn)行三維分析與輔助設(shè)計,轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形用SAP84(5.0版)計算。為了合理確定桁架的結(jié)構(gòu)尺寸,結(jié)構(gòu)分析與斷面設(shè)計交替進(jìn)行。具體步驟如下:(1)假定A軸結(jié)構(gòu)為規(guī)劃框架,即⑤、⑥軸柱子落地,用TAT作空間分析;(2)作一簡化的桁架(圖3),用上述分析所得4層柱下端內(nèi)力作為該桁架的外荷載,用力法并利用對稱性很容易算出各桿件軸力,然后初選桁架弦桿與腹桿斷面;(3)按已選桁架桿件重新用TAT作空間分析,并將弦桿作柱單元處理求得各桿件在長、短期荷載作用下的ML、NL、VL與MS、NS、VS,以及桿件在荷載組合后的最大內(nèi)力設(shè)計值;(4)對桁架的下弦桿進(jìn)行預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計。根據(jù)本工程的使用要求,確定裂縫控制為二級,即按荷載長期效應(yīng)組合時,下弦桿受拉較多的一邊(因為同時有彎矩作用)邊緣混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力,而按荷載短期效應(yīng)組合時,邊緣混凝土的拉應(yīng)力不超過αctγftk(按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GBJ10-89);(5)將有效的預(yù)應(yīng)力筋拉力作為外荷載施加在節(jié)點上,用TAT得出本工程結(jié)構(gòu)分析及截面設(shè)計的最后結(jié)果,并用SAP84進(jìn)行校核。桁架詳見圖4,混凝土為C45級,預(yù)應(yīng)力筋采用高強低松馳鋼絞線fptk=1860N/mm2,九束預(yù)應(yīng)力筋(4×6Φj15+5×7Φj15)第1次張拉時穿入預(yù)埋波紋管孔道內(nèi)。4.2預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)制作(1)支模要求本工程在基礎(chǔ)設(shè)計時,已經(jīng)考慮到上部結(jié)構(gòu)的施工方案。地下室內(nèi)⑤、⑥軸的立柱雖然使用階段荷載較小,但施工階段卻要承擔(dān)桁架及以上框架柱傳來的荷載。柱下單根管樁同樣壓至風(fēng)化巖,極限承載力可達(dá)5000kN。因此要求⑤、⑥軸桁架下部及上下弦節(jié)點間均用型鋼焊成格構(gòu)式臨時垂直支撐以滿足施工荷載的豎向傳遞。(2)錨具配套組裝試驗對設(shè)計采用的鋼絞線、QM15夾片式錨具通過組裝件靜載試驗,錨具效率系數(shù)ηa和達(dá)到實測極限拉力時的總應(yīng)變εapu,tot應(yīng)符合當(dāng)時《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》的有關(guān)要求。(3)分批張拉與測試本工程的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)連續(xù)施工,預(yù)應(yīng)力分二批張拉。確定第1批張拉的時間應(yīng)同時滿足以下條件:①桁架混凝土強度已達(dá)100%;②桁架下臨時支撐受荷不超過2500kN。根據(jù)施工進(jìn)度,確定在7層樓面澆筑完成后進(jìn)行第1批張拉,此時桁架混凝土齡期已達(dá)50天;第2批張拉在14層施工時同步進(jìn)行。預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)測試的主要內(nèi)容有:(1)每束預(yù)應(yīng)力筋的張拉控制力及延伸值,孔道摩擦損失值;(2)兩批張拉中各選一束預(yù)應(yīng)力筋的錨后預(yù)應(yīng)力值;(3)上弦跨中的反拱及側(cè)向位移值;(4)逐層施工及結(jié)頂后一個月建立的有效預(yù)應(yīng)力。4.3不做疊帶的變形控制若按桁架結(jié)構(gòu)本身的撓度或反拱允許值作為相鄰框架節(jié)點的強迫位移,由此計算相鄰框架梁中產(chǎn)生的次內(nèi)力比例將近50%,在連續(xù)施工中桁架與相鄰梁板不做后澆帶,則對變形控制提出了更高要求。由于采用了前述支模方案、分批張拉等一系列有效措施,效果是很好的。本工程第1批張拉時,計算反拱為0.9mm,實測值為0.7mm;第2批張拉時,計算總反拱為1.15mm,實測值為0.85mmm。結(jié)頂后過一個月桁架臨時支撐拆除,測得撓度為0.9mm。施工過程及正常使用以來,未發(fā)現(xiàn)開裂等情況。5桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的選擇為了滿足人們對建筑使用功能的要求,高層建筑底部需要擴大跨度的情況也常會遇到。對高層框架結(jié)構(gòu)而言,采用預(yù)應(yīng)力混凝土桁架作為轉(zhuǎn)