高層框架轉換結構的設計與施工

1高位轉換結構施工技術為了滿足上層和下層框架的不同長度要求，構建了這種結構，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層內遇到需要轉換的情況。這就是本文著重討論的低位轉換情況。作為低位轉換結構本身除了要承受層內的荷載外,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生了很大的改變,因而靠近底部的結構內力狀態與邊界條件更為復雜。然而,有關預應力轉換結構的設計與施工方法,現行規范尚未涉及。因此,對轉換結構在設計和施工中的一系列技術問題必須謹而慎之。本文以浙江省交通規劃設計研究院辦公大樓為工程實例,結合該工程的設計與施工實際,介紹了結構分析和預應力混凝土轉換桁架設計、施工、監測等方面采取的技術措施,可供同行參考。2易于施工,有利于結構抗震高層框架在低位需要轉換時,桁架(包括空腹桁架)是最合適的轉換結構形式。這是因為:從結構特性上來說,為了傳遞上部框架柱的集中荷載,正是充分利用了桁架結構固有的承受節點荷載的特點;可以利用一層乃至數層的結構高度布置桁架,提高轉換結構的剛度,大大減少結構變形和內力增幅;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換層上下部結構的豎向剛度避免突變,有利于結構抗震。從施工技術上來說,盡管現澆桁架結構節點較為復雜,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換梁(或厚板)具有獨特的優勢,即把桁架的下弦或上弦節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,桁架結構占用建筑空間較少,若采用空腹桁架(局部采用豎腹桿),則轉換結構幾乎對建筑面積的使用無甚影響。從工程經濟上來說,由于桁架結構自重較小,一般僅需在下弦桿件上采用預應力技術,工程造價相對較低。3預應力技術在混凝土結構施工過程中的應用設計混凝土桁架(或預應力混凝土桁架)轉換結構時,往往要經過布置-試算-調整布置-結構計算等過程,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,以減少構件交叉。如另有需要,下弦桿可以不設在結構樓層內,但會因此而產生短柱現象,對抗震不利。(2)由于低位轉換桁架上托的結構層數較多,施工階段宜采取分批張拉預應力。(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,而臨時垂直支撐應分擔的豎向荷載由各個預應力張拉階段的受荷大小、支撐下基礎的承載力及支撐結構本身承載能力互相協調確定。一般來說,能使這三者的數值越接近越好。(4)混凝土高層框架對支座的豎向位移非常敏感,結構彈性分析表明,當一般跨度的框架梁鄰近支座豎向位移之差達2%時,梁內力最大將增加4倍之多。因此,嚴格控制轉換結構的豎向變形顯得非常重要。于是往往采用預應力技術來進行有效的變形控制,其基本原理是用張拉預應力引起的反拱去抵消結構正常工作時的撓度。而不加控制的反拱同樣對結構不利,因而往往利用施工階段的上部荷載作為“壓重”,防止桁架出現過多的反拱。這種分期張拉的施工方法恰好提供了連續澆搗混凝土上部框架結構的作業時間,有利于縮短工期。(5)預應力混凝土轉換桁架是高層框架結構中特別重要的構件,必須對其進行施工監測,以確保工程安全。監測項目至少應包括錨具配套組裝試驗、分批張拉的同步測試(錨后預應力值和變形)。為了能隨時反映轉換結構的工作狀況,建議在合適的部位留置永久觀測的儀表,以保證結構的健康工作。4預應力混凝土框架體系浙江省交通規劃設計研究院綜合辦公樓工程位于杭州市環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。該工程采用全現澆混凝土框架-剪力墻結構體系,按6度抗震設防。基礎采用靜壓Φ600高強預應力混凝土管樁。工程于1999年11月結頂,2000年底裝修完畢,2001年3月投入使用。本工程標準層柱網平面見圖1。因建筑立面要求,為擴大主入口跨度,以表現交通設計行業大步跨越的個性,在A軸框架的2～4層布置了一榀跨度為19.2m的預應力混凝土桁架作為轉換結構(圖2)。底層與4層以上的柱子斷面統一,從而保持結構豎向剛度均勻一致。4.1施工結果分析本工程采用中國建筑科學研究院PKPM系列的TAT軟件進行三維分析與輔助設計,轉換結構的內力與變形用SAP84(5.0版)計算。為了合理確定桁架的結構尺寸,結構分析與斷面設計交替進行。具體步驟如下:(1)假定A軸結構為規劃框架,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力設計值;(4)對桁架的下弦桿進行預應力構件設計。根據本工程的使用要求,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)邊緣混凝土不出現拉應力,而按荷載短期效應組合時,邊緣混凝土的拉應力不超過αctγftk(按《混凝土結構設計規范》GBJ10-89);(5)將有效的預應力筋拉力作為外荷載施加在節點上,用TAT得出本工程結構分析及截面設計的最后結果,并用SAP84進行校核。桁架詳見圖4,混凝土為C45級,預應力筋采用高強低松馳鋼絞線fptk=1860N/mm2,九束預應力筋(4×6Φj15+5×7Φj15)第1次張拉時穿入預埋波紋管孔道內。4.2預應力桁架結構制作(1)支模要求本工程在基礎設計時,已經考慮到上部結構的施工方案。地下室內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桁架及以上框架柱傳來的荷載。柱下單根管樁同樣壓至風化巖,極限承載力可達5000kN。因此要求⑤、⑥軸桁架下部及上下弦節點間均用型鋼焊成格構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ηa和達到實測極限拉力時的總應變εapu,tot應符合當時《混凝土結構工程施工及驗收規范》的有關要求。(3)分批張拉與測試本工程的現澆結構連續施工,預應力分二批張拉。確定第1批張拉的時間應同時滿足以下條件:①桁架混凝土強度已達100%;②桁架下臨時支撐受荷不超過2500kN。根據施工進度,確定在7層樓面澆筑完成后進行第1批張拉,此時桁架混凝土齡期已達50天;第2批張拉在14層施工時同步進行。預應力桁架結構測試的主要內容有:(1)每束預應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應力筋的錨后預應力值;(3)上弦跨中的反拱及側向位移值;(4)逐層施工及結頂后一個月建立的有效預應力。4.3不做疊帶的變形控制若按桁架結構本身的撓度或反拱允許值作為相鄰框架節點的強迫位移,由此計算相鄰框架梁中產生的次內力比例將近50%,在連續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,未發現開裂等情況。5桁架轉換結構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。對高層框架結構而言,采用預應力混凝土桁架作為轉