高层框架转换结构的设计与施工

高层框架转换结构的设计与施工

1高位转换结构施工技术为了满足上层和下层框架的不同长度要求，构建了这种结构，以满足下层不同的使用功能。许多高层综合楼建筑常在下部数层内遇到需要转换的情况。这就是本文着重讨论的低位转换情况。作为低位转换结构本身除了要承受层内的荷载外,往往承托着上部框架传来的巨大竖向荷载。同时,由于力的传递途径发生了很大的改变,因而靠近底部的结构内力状态与边界条件更为复杂。然而,有关预应力转换结构的设计与施工方法,现行规范尚未涉及。因此,对转换结构在设计和施工中的一系列技术问题必须谨而慎之。本文以浙江省交通规划设计研究院办公大楼为工程实例,结合该工程的设计与施工实际,介绍了结构分析和预应力混凝土转换桁架设计、施工、监测等方面采取的技术措施,可供同行参考。2易于施工,有利于结构抗震高层框架在低位需要转换时,桁架(包括空腹桁架)是最合适的转换结构形式。这是因为:从结构特性上来说,为了传递上部框架柱的集中荷载,正是充分利用了桁架结构固有的承受节点荷载的特点;可以利用一层乃至数层的结构高度布置桁架,提高转换结构的刚度,大大减少结构变形和内力增幅;同时由于上部框架柱-桁架斜腹杆-下部框架柱这一传力途径非常明确,很容易通过选定杆件的截面使转换层上下部结构的竖向刚度避免突变,有利于结构抗震。从施工技术上来说,尽管现浇桁架结构节点较为复杂,但毕竟是早为土建施工队伍所熟悉,无非是杆件增大而已。而它在支模上却比转换梁(或厚板)具有独特的优势,即把桁架的下弦或上弦节点作为施工期间的临时竖向荷载支撑点,施工荷载计算简明,施工控制可靠。从建筑上来说,桁架结构占用建筑空间较少,若采用空腹桁架(局部采用竖腹杆),则转换结构几乎对建筑面积的使用无甚影响。从工程经济上来说,由于桁架结构自重较小,一般仅需在下弦杆件上采用预应力技术,工程造价相对较低。3预应力技术在混凝土结构施工过程中的应用设计混凝土桁架(或预应力混凝土桁架)转换结构时,往往要经过布置-试算-调整布置-结构计算等过程,但以下一些基本原则是必须考虑的:(1)尽量利用框架楼层梁板作为桁架上下弦杆件,以减少构件交叉。如另有需要,下弦杆可以不设在结构楼层内,但会因此而产生短柱现象,对抗震不利。(2)由于低位转换桁架上托的结构层数较多,施工阶段宜采取分批张拉预应力。(3)施工阶段的竖向荷载由临时垂直支撑和逐步形成的框架柱共同承担,而临时垂直支撑应分担的竖向荷载由各个预应力张拉阶段的受荷大小、支撑下基础的承载力及支撑结构本身承载能力互相协调确定。一般来说,能使这三者的数值越接近越好。(4)混凝土高层框架对支座的竖向位移非常敏感,结构弹性分析表明,当一般跨度的框架梁邻近支座竖向位移之差达2%时,梁内力最大将增加4倍之多。因此,严格控制转换结构的竖向变形显得非常重要。于是往往采用预应力技术来进行有效的变形控制,其基本原理是用张拉预应力引起的反拱去抵消结构正常工作时的挠度。而不加控制的反拱同样对结构不利,因而往往利用施工阶段的上部荷载作为“压重”,防止桁架出现过多的反拱。这种分期张拉的施工方法恰好提供了连续浇捣混凝土上部框架结构的作业时间,有利于缩短工期。(5)预应力混凝土转换桁架是高层框架结构中特别重要的构件,必须对其进行施工监测,以确保工程安全。监测项目至少应包括锚具配套组装试验、分批张拉的同步测试(锚后预应力值和变形)。为了能随时反映转换结构的工作状况,建议在合适的部位留置永久观测的仪表,以保证结构的健康工作。4预应力混凝土框架体系浙江省交通规划设计研究院综合办公楼工程位于杭州市环城西路与天目山路交叉口,建筑面积20500m2,地下室一层,地上14层,局部15层。该工程采用全现浇混凝土框架-剪力墙结构体系,按6度抗震设防。基础采用静压Φ600高强预应力混凝土管桩。工程于1999年11月结顶,2000年底装修完毕,2001年3月投入使用。本工程标准层柱网平面见图1。因建筑立面要求,为扩大主入口跨度,以表现交通设计行业大步跨越的个性,在A轴框架的2～4层布置了一榀跨度为19.2m的预应力混凝土桁架作为转换结构(图2)。底层与4层以上的柱子断面统一,从而保持结构竖向刚度均匀一致。4.1施工结果分析本工程采用中国建筑科学研究院PKPM系列的TAT软件进行三维分析与辅助设计,转换结构的内力与变形用SAP84(5.0版)计算。为了合理确定桁架的结构尺寸,结构分析与断面设计交替进行。具体步骤如下:(1)假定A轴结构为规划框架,即⑤、⑥轴柱子落地,用TAT作空间分析;(2)作一简化的桁架(图3),用上述分析所得4层柱下端内力作为该桁架的外荷载,用力法并利用对称性很容易算出各杆件轴力,然后初选桁架弦杆与腹杆断面;(3)按已选桁架杆件重新用TAT作空间分析,并将弦杆作柱单元处理求得各杆件在长、短期荷载作用下的ML、NL、VL与MS、NS、VS,以及杆件在荷载组合后的最大内力设计值;(4)对桁架的下弦杆进行预应力构件设计。根据本工程的使用要求,确定裂缝控制为二级,即按荷载长期效应组合时,下弦杆受拉较多的一边(因为同时有弯矩作用)边缘混凝土不出现拉应力,而按荷载短期效应组合时,边缘混凝土的拉应力不超过αctγftk(按《混凝土结构设计规范》GBJ10-89);(5)将有效的预应力筋拉力作为外荷载施加在节点上,用TAT得出本工程结构分析及截面设计的最后结果,并用SAP84进行校核。桁架详见图4,混凝土为C45级,预应力筋采用高强低松驰钢绞线fptk=1860N/mm2,九束预应力筋(4×6Φj15+5×7Φj15)第1次张拉时穿入预埋波纹管孔道内。4.2预应力桁架结构制作(1)支模要求本工程在基础设计时,已经考虑到上部结构的施工方案。地下室内⑤、⑥轴的立柱虽然使用阶段荷载较小,但施工阶段却要承担桁架及以上框架柱传来的荷载。柱下单根管桩同样压至风化岩,极限承载力可达5000kN。因此要求⑤、⑥轴桁架下部及上下弦节点间均用型钢焊成格构式临时垂直支撑以满足施工荷载的竖向传递。(2)锚具配套组装试验对设计采用的钢绞线、QM15夹片式锚具通过组装件静载试验,锚具效率系数ηa和达到实测极限拉力时的总应变εapu,tot应符合当时《混凝土结构工程施工及验收规范》的有关要求。(3)分批张拉与测试本工程的现浇结构连续施工,预应力分二批张拉。确定第1批张拉的时间应同时满足以下条件:①桁架混凝土强度已达100%;②桁架下临时支撑受荷不超过2500kN。根据施工进度,确定在7层楼面浇筑完成后进行第1批张拉,此时桁架混凝土龄期已达50天;第2批张拉在14层施工时同步进行。预应力桁架结构测试的主要内容有:(1)每束预应力筋的张拉控制力及延伸值,孔道摩擦损失值;(2)两批张拉中各选一束预应力筋的锚后预应力值;(3)上弦跨中的反拱及侧向位移值;(4)逐层施工及结顶后一个月建立的有效预应力。4.3不做叠带的变形控制若按桁架结构本身的挠度或反拱允许值作为相邻框架节点的强迫位移,由此计算相邻框架梁中产生的次内力比例将近50%,在连续施工中桁架与相邻梁板不做后浇带,则对变形控制提出了更高要求。由于采用了前述支模方案、分批张拉等一系列有效措施,效果是很好的。本工程第1批张拉时,计算反拱为0.9mm,实测值为0.7mm;第2批张拉时,计算总反拱为1.15mm,实测值为0.85mmm。结顶后过一个月桁架临时支撑拆除,测得挠度为0.9mm。施工过程及正常使用以来,未发现开裂等情况。5桁架转换结构的选择为了满足人们对建筑使用功能的要求,高层建筑底部需要扩大跨度的情况也常会遇到。对高层框架结构而言,采用预应力混凝土桁架作为转