高位转换层砼大梁(厚板)施工对设计的思考
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刘冬柏,湖南省建筑设计院副院长、教授级高级工程师
1、 问题的提出
近年来,带转换层的混凝土高层建筑日益增多。对此类复杂高层,设计的工作重点主要是对建筑形象、功能和安全进行研究设计。受我国现行的建筑营造管理模式影响,设计和施工进行了明确的分工,设计单位做设计,施工单位按图施工,因而设计对施工操作的问题一般考虑较少。然而,对于高位转换层混凝土大梁(厚板)结构,由于其截面大,施工荷载大,施工为实现设计者的意图,在转换层大梁(厚板)模板支撑的施工中,付出了辛勤的劳动,并进行了大量的探索和研究。
到目前为止,转换层大梁(厚板)模板支撑的施工方法,归纳起来,可分为三大类:第一类,荷载传递法,即层层设置支撑,转换层大梁(厚板)一次浇筑成型,施工期间的荷载通过支撑传递到下部可支承的结构上;第二类,叠合浇筑法,即应用叠合梁的原理将转换梁分为两次或三次浇注叠合成型的方法,其目的是为减少大梁(厚板)一次成型带来的支承困难,利用先形成的结构支承上部叠合层施工荷载;第三类,桁架支撑法施工,即在转换层下层设置临时钢桁架或钢梁,支撑转换层大梁(厚板)的模版,将施工期间的荷载传递到下层柱上,或者在转换大梁(厚板)中埋设型钢或者钢桁架,大梁(厚板)模板可固定于型钢或钢桁架上,行钢或钢桁架及可作为永久承载力使用,又可承受转换层施工荷载。以上三类模板支承方式对建造转换层的梁(厚板)起到了十分重要的作用。但对于高位转换层砼大梁(厚板),此类施工方法是否有些勉强和原始,与我国飞速发展的城市建设技术显得不够协调?例如,一栋转换层设置在五层的大楼,为进行转换大梁的施工,从地下二层开始设置钢管支撑,层数之多,钢管数量之巨大,现场颇为壮观。又例如,一栋设置在四层的厚板转换层建筑,为减少模板支撑采用叠合浇筑法施工,为处理新老砼的粘结,设置间距两米直径为Φ300mm的抗剪墩,企图由抗剪墩来约束新老混凝土结合面的滑移。此方法除费工费料、延长工期外,其实际受力性能很难进行科学判定。笔者在某些支撑方案的相关计算进行分析中发现,有些技术路线和计算假定中仍存在一些值得研究的问题。
笔者最近参加了一个高位转换层建筑支模方案评审,施工单位改变了常规的支模方案,提出了“单层支撑体系一次浇筑成型”的支模方案,在设计单位的配合下并付诸了实施,现已竣工投入使用。在施工过程中大大的减少了钢管的租赁费用,节约了人力物力,缩短了工期,取得了良好的社会效益和经济效益。这一案例是施工和设计配合的产物,同时也给设计工程师们提出了一个问题:设计是工程建设的灵魂,设计者应对其建筑全生命周期内的每一个环节给予充分的考虑,成为学术领域和技术的创新者和集成者,因为设计工程师们是经济、社会的引擎。本文以高位转换层混凝土大梁(厚板)施工中的问题为例,对设计的反思与同行们共同探讨。
2、“单层支撑体系一次浇筑成型”的施工方案分析
“单层支撑体系一次浇筑成型”,就是利用转换层下层楼面梁板作为转换层大梁模板支承层,框支主梁的支撑作用在下层主梁上,布置型钢支承梁作为支承框支次梁模板的临时支撑构件,型钢梁的荷载传递到下层主梁上,这样,模板支撑体系只需设置一层,且转换层可以一次浇筑成型。
上文中提到的“单层支撑体系一次浇筑成型”支模方案的项目,为地下二层,地上二十层框支剪力墙结构的建筑,转换层设置在第五层,第四层为绿化屋面,设计有0.8m厚的覆土层。转换大梁高分别为1000x1500~1800mm,若采用常规的施工支模方案,施工工期至少一个月以上,需租赁的钢管达数百吨,从钢管的进场,支模、拆模、离场需要花费大量人力和物力。施工单位在进行多方案比较后,考虑到该工程第四层设计使用活载较大,如覆土荷载达14.4kN/m2,正常使用活荷载为3kN/m2,而施工期间覆土荷载、活荷载、地震荷载和大部分风荷载还尚未施加到结构上,该层梁、板有较大承载力可供转换层施工时充分利用,将转换层模板支撑在该层上,可以大量减少下部钢管的支撑数量,节约材料租赁和人工工资费用。但经计算复核,该层可供利用承载力还不能满足转换层梁板一次浇筑时产生的施工荷载的要求,必须对该层的结构进行修改设计。这类修改施工单位是不具备设计资质要求的,必须由原设计单位完成。若原设计单位不同意,该方案也将变成空中楼阁。由于该项目的原设计单位是给予了全力支持与配合,方案得到了实施。根据施工单位的设想和提供的施工参数,设计单位按照施工荷载要求,对支承楼层的梁板进行了复核验算,并对该层梁板结构进行了修改,修改后下层梁板截面尺寸未变化,梁板配筋有所增加,增加钢筋用量总计为3.5t,折合到该层转换层范围内楼面每平方米仅6.5。该项目只是一个特例,从经济角度分析,说服力并非很强,应实际工程建设中,我们绝大多数项目的转换层一般与裙楼屋面宜同层设置,转换层的下层均为大开间商场或者其他功能用房,下层楼面的设计荷载远小于转换层的施工荷载,若采用“单层支撑体系一次浇筑成型”的施工方案,其下层楼面梁板增加的用材情况又如何,笔者将对某一实际工程进行分析,供同行参考。
该高层建筑,结构形式为框支剪力墙结构,地下一层,地上三十层,转换层设置在第五层楼面。转换层平面如图一所示。现按照如下两种工况,仅对转换层平面范围内的梁板用材进行对比分析。第一种工况:按正常使用状态设计,第四层为商场,活荷载取值为3.5kN/m2;第二种工况:四层楼面考虑“单层支撑体系一次浇筑成型”的施工荷载,采用框支主梁的支撑作用在下层主梁上,利用型钢梁将框支次梁的支撑荷载传递到下层主梁上,分别计算出转换层平面范围内梁板含钢量和混凝土用量,如表一所示。
图1转换层结构布置图
表1不同工况下结构材料表
从表中可以看出,当转换层下层楼面考虑施工荷载时,结构的材料用量有一定程度的增加。转换层范围的面积为1218m2,混凝土用量需增加36.5m3,钢筋用量需增加11.4t,折算到每平方米仅需增加9.4kg,钢筋增加约37.6元/m2(按照4000元/t计算),转换层范围内的下层楼面材料所增加的费用不到本范围内土建造价的5%,相比采用其他常规的三种方案,除施工简单,速度快之外,花费在支撑体系和施工技术措施费用相比有一定的减少,特别是随着劳动力成本的提高,其优势将会得到更大的体现,更加符合以人为本的社会发展的需要。
3、 传统转换层大梁(厚板)模板支撑施工方法的几个问题
在我们应用传统的三类转换层大梁(厚板)模板支撑施工时,有一些问题值得我们深思。
3、1 荷载传递法,转换层设置在地下室顶板或者二层楼面时具有较好的效果,因为转换层大梁(厚板)在一次成型的过程中,它可以通过两至三层的支撑体系将转换层的施工荷载传递到结构的基础地面,但对于高位转换的建筑,支撑体系的设置往往需要从转换层梁(厚板)底一直支撑到地下室的底板,才能够保证荷载正常传递。但在工程的实施中,施工单位为了加快工期,节约施工成本,支撑体系按下部楼层正常使用的活荷载之和与转换层大梁(厚板)的施工荷载相等的原则来确定需要支撑体系的层数,支撑体系没有落到基础底板或可以承担转换层施工荷载的楼层梁板上。从结构力学的原理分析,由于支撑体系与各层楼板形成了一个共同的结构体,各楼层的变形是协同一致的,当各个楼层的对应的梁板刚度一致时,这种简单的计算方法是可行的。但实际工程中,各楼层因使用功能的不同,对应的楼层的梁板刚度也是不一致的,导致某些梁板构件实际承担的施工荷载与支模计算的假定不一致,造成刚度较大的楼层的部分梁板分配的内力超过其设计承载能力,造成结构构件的损伤,例如有些梁板在施工中出现裂缝,在裂缝事故分析中往往又忽视这方面的原因,有些可能造成安全隐患。
3、2 叠合浇注法,该方法是利用第一次浇筑混凝土成型的梁支承第二次浇筑的混凝土梁板的自重及施工荷载,第一次浇注混凝土必须到达设计强度后方可进行上层混凝土的施工。必然存在新旧混凝土结合面的处理问题,在一些工程中,有些未采取有效的加强措施,甚至未按照规范要求对结合面进行认真处理。例如有些未设置抗剪钢筋,有些采用剪力墩的措施,但因施工难以操作,浇筑时水泥浆流失后变成了砂石墩,无法起到增强结合面的抗剪能力的作用,还有一些由于转换层钢筋密集,对新旧混凝土结合面甚至没有进行专门的界面处理,如清除浮浆、凿毛等工序。高层建筑的的转换层大梁(厚板)是主体结构的重要构件之一,当设计使用年限内可能出现最不利荷载作用时,这种叠合梁能否保证结构具有足够的可靠度,确保人们生命财产的安全,值得我们每一个工程技术人员的关注。“5.12”汶川大地震中,由于楼层柱上下端首先出现破坏,导致大量房屋倒塌,而破坏的位置正好是施工缝的位置。我们不能不对新老混凝土结合面的处理引起足够的重视。根据中国矿业大学袁迎曙教授对新老混凝土表面进行凿毛处理和设置抗剪钢筋的界面处理方式所做的实验研究表明:随着荷载增加,新老混凝土界面发生初始滑移,模型中由斜向受压混凝土传递的压力在界面处发生了改变,由直接传递的压力变为界面处的剪切摩擦力。当老混凝土界面进行了凿毛处理后,界面一旦产生相对滑移,相互咬合的混凝土界面就会出现错位,表现在界面处除竖向位移外,还存在横向向外的位移,因此提出了在结合面上设置抗剪钢筋对横向向外的位移有良好的作用。虽然目前相关的研究只给出了破坏机理,对新老混凝土结合面的剪切摩擦力很难进行科学量化,转换层大梁应慎重采用叠合浇注法,若必须采用时,应进行认真的做好结合面的处理,除了根据工程经验和规范要求采用相关加强措施外,笔者认为设置抗剪钢筋对提高结合面的粘结力是既有可操作性又具有效性。
3、3 钢桁架支模法,此方法虽然可以将转换层大梁(厚板)一次浇注成型,也不需要层层设置支承体系。但是民用高层建筑梁系布置复杂,且跨度不一,造成桁架的型号繁多,作为施工的临时支撑,不能模块化,不能重复利用,必然导致成本较高,对于跨度较大的特殊工程,在转换大梁(厚板)中埋设型钢或者钢桁架,梁体模板可固定于型钢或钢桁架上,将两者进行一体化设计,不妨是一个好的措施。
3、4 结论
从结构受力角度来说,转换层大梁(厚板)宜采用一次浇筑成型,转换层大梁(厚板)的施工模板支撑体系以最短的途径、最简单的方法传到竖向构件上,最后传到基础上是最有利的施工方案。传统的支模方案中设置多层支模体系,施工荷载的传力途径比较复杂,转换层大梁(厚板)应慎重采用叠合层施工方案,钢桁架支模法虽然传力途径比较直接,但在一般民用高层中应用成本较高。本文分析的“单层支撑体系一次浇筑成型”施工方法,能将转换层的施工荷载由下层楼面梁板直接支承,是传力途径最直接的方法。虽然支承层结构的造价有一定程度增加,但是相对于采用传统的模板支撑方法,其支撑体系有施工荷载传力途径明确,施工简单,有利于缩短工期等优点,特别是转换大梁(厚板)一次成型,结构构件的可靠性能好。需要施工与设计的密切配合,特别是增加了设计工程师的工作量,并对设计工程师们的工作习惯有所冲击,关注建筑全生命周期的合理性和先进性应是我们设计工程师应尽职责。