隨著我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展，在多功能的高層建筑中轉(zhuǎn)換層的施工越來越普遍。由于轉(zhuǎn)換層往往自重很大，支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算有它的特殊性，設(shè)計(jì)計(jì)算不周則可能導(dǎo)致支撐系統(tǒng)坍塌事故，造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失，所以，轉(zhuǎn)換層支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是施工安全技術(shù)管理中控制的重點(diǎn)。

本文以筆者參與施工管理的深圳蛇口四海華庭工程轉(zhuǎn)換層支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工為例。闡述轉(zhuǎn)換層砼澆筑方案的選用，并根據(jù)砼澆筑方案進(jìn)行支撐系統(tǒng)的選型，分析其內(nèi)力和變形，以保證施工安全。

深圳蛇口四海華庭工程總建筑面積23429m²。地下2層，地上21層，其中裙樓四層，為大軸網(wǎng)框筒結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層17層，為小軸網(wǎng)剪力墻結(jié)構(gòu)。地上第5層為轉(zhuǎn)換層，面積1830m²，砼1921m³，鋼筋506t轉(zhuǎn)換層標(biāo)高17.8m，主框架梁截面2000×1200mm，最大梁截面2000×1400mm，板厚200mm，采用C45泵送砼。

1． 轉(zhuǎn)換層砼澆筑方案的選用

1.1 一次性澆筑成型方案

轉(zhuǎn)換層砼可一次澆筑成型，也可根據(jù)疊合梁的原理分兩次澆筑。如采用一次澆筑成型的方法，荷載（包括鋼筋砼自重、模板及支撐、施工人員及設(shè)備、振搗砼的荷載等）經(jīng)計(jì)算為31.7kN/m²，根據(jù)設(shè)計(jì)部門提供的樓面承載力，轉(zhuǎn)換層以下5層樓面的總承載力為23kN/m²，因此，必須利用地基承載力，從地下室底板開始，層層搭設(shè)滿堂紅支撐至轉(zhuǎn)換層。如采用48×3.5鋼管，約需用立桿11000根，加上水平桿剪刀撐，約需用鋼管340t。

1.2 分兩次澆筑成型方案

根據(jù)本工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)、工期和物資條件，為節(jié)約鋼管等周轉(zhuǎn)材料，決定轉(zhuǎn)換層采用兩次澆筑方案。第一次澆筑下半梁，澆筑高度800mm，經(jīng)計(jì)算荷載為8.9kN/m²。根據(jù)設(shè)計(jì)部門提供的樓面承載能力，裙樓3~4層的樓面總承載能力為9.2kN/m²，因此只須布置2層滿堂紅鋼管支撐，為節(jié)省鋼管用量，支撐的間距逐層按扣除各樓層的承載能力的方法減少。上述滿堂紅支撐，約需用鋼管立桿4000根，加上水平桿的剪刀撐，約需用鋼管120t。比一次性澆筑少用鋼管220t。

2． 支撐系統(tǒng)內(nèi)力和變形計(jì)算

2.1 下半梁受力分析

第一次砼澆筑后，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%以上，開始進(jìn)行上半梁及樓板的砼澆筑。此時(shí)下半梁承擔(dān)的荷載為q=64.4kN/m，轉(zhuǎn)換層樓板新澆砼及其它施工荷載q_p=8.5kN/m²，則通過滿堂紅支撐傳遞到四層和三層樓板（再由次梁傳遞到這兩層主梁上），經(jīng)計(jì)算，上半梁荷載將下半梁承載力的15%~25%，在整體大梁形成后，可視為承載力已發(fā)揮了15%~25%，而且下半梁鋼筋產(chǎn)生的應(yīng)變是永久性的、不可恢復(fù)的，降低了結(jié)構(gòu)的可靠度。

2.2 第二次澆筑砼的支撐系統(tǒng)

為減少下半梁鋼筋的永久性變形，通過在次梁支座處設(shè)置4×5φ48×3.5鋼管的方法，將荷載逐層傳遞至于地下室底板，由各層大梁和鋼管共同承擔(dān)轉(zhuǎn)換層的荷載。受力模型如圖1。



圖1 支撐系統(tǒng)計(jì)算圖

2.3 支撐系統(tǒng)的荷載

轉(zhuǎn)換層上半梁均布荷載為q，以在支撐點(diǎn)產(chǎn)生的豎向變形相等為條件，換算為等效集中力F₇，F(xiàn)₇的計(jì)算如圖2所示，（b）、（c）、（d）、三種情況下梁的剛度K_bi分別為48（EI/l³）_i、243（EI/4l³）_i、162（EI/5l³）_i。（a）圖中的△₁=5ql⁴/384EI與（b）圖中的△₁=Fl³/48EI必須相等，（a）圖中的△₂=0.01168ql⁴/EI必須分別與（c）圖中的△=4Fl³/243EI和（d）圖中的△₂=5Fl³/162EI相等，以此條件可得出三種情況下的等效集中力F₇：



圖2 等效荷載計(jì)算示意圖

①F₇=5ql/8；②F₇=0.71ql；③F₇=0.38ql

F₆和F₅為由轉(zhuǎn)換層樓板荷載傳遞而產(chǎn)生的第四層和第三層的次梁集中力。F₆和F₅的計(jì)算；轉(zhuǎn)換層樓板新澆砼及其它施工荷載q_p=8.5kN/m²，第四層和第三層的次梁所承受的板面荷載分布面積為A_p，可得F₆=F₅=q_pA_p/2。

2.4 內(nèi)力與變形計(jì)算方法

K_ci=（1/G_i+1/K_i-1）^-1……（1）

K_i=K_ci+K_bi………………（2）

G_i為鋼管的軸向剛度，G_i=EA/L_i，地下室底板K₀可認(rèn)為等于無(wú)窮大。由（1）、（2）式聯(lián)立，從地下室板往上可逐層算出K_i和K_ci值。

令R₇=F₇，從轉(zhuǎn)換層逐層往下算，可得：

第i層鋼管內(nèi)力R_i=R_i+₁K_ci/K_i…………（3）

第i層梁板的支撐點(diǎn)撓度δ_i=R_i+₁/K_i…………（4）

再分別令R₆=F₆，R₅=F₅代入（3）、（4）式各計(jì)算一次，將以上三次計(jì)算的結(jié)果疊加，便計(jì)算出各層鋼管支撐的內(nèi)力和各層梁的在支撐點(diǎn)的撓度。

2.5 計(jì)算實(shí)例

以次梁位于主梁1/2跨中的一榀框架之中一跨為例，計(jì)算過程如下：

q=64.4kN/m，1=6m，F(xiàn)₇=5ql/8=241.5kN=R₇

I₆=6h³/12=1.2×0.8³/12=0.0512m⁴

E=3.15×10⁷kN/m²（因強(qiáng)度只達(dá)80%，E值按C35砼考慮，但以下各梁則按C45砼考慮）

Kb₆=48EI₆/l³=35.84×10⁴kN/m

其它各層梁：I_i=0.4×0.6³/12=0.0072m⁴

Kb_i=48EI_i/l³=5.36×10⁴kN/m i=1.5

鋼管（統(tǒng)一取L_i=4.5m）：

G=EA/L_i=2.06×10⁸×9.78×10^-3/4.5=44.77×10⁴kN/m

部分計(jì)算過程列于下表

見表



圖3 計(jì)算示意圖

其它各層的R_i值和以F₆和F₅進(jìn)行的計(jì)算從略。

經(jīng)計(jì)算，第6層支撐20（4×5）根鋼管的內(nèi)力為R₆=65.26kN，每根鋼管的內(nèi)力為3.3kN，小于其設(shè)計(jì)隨載力（其它各層計(jì)算結(jié)果亦然），轉(zhuǎn)換層下半梁的撓度為δ₆=0.49mm，在允許范圍以內(nèi)（其它各層亦然），所有轉(zhuǎn)換梁下半梁產(chǎn)生的彎距為其抗彎承載力的0.7~5.3%，且小于其開裂彎矩，經(jīng)設(shè)計(jì)部門審核后認(rèn)定滿足結(jié)構(gòu)的最終設(shè)計(jì)承載要求。

2.6 討論

以上在計(jì)算各層梁的豎向剛度K_bi時(shí)，是按簡(jiǎn)支梁計(jì)算的，所得剛度K_bi比實(shí)際低，因此梁所分擔(dān)的荷載被低估，鋼管所分擔(dān)的荷載則被高估，從而使結(jié)果偏于安全；另一方面，因K_bi被低估，整個(gè)體系的剛度K_n（n為支撐的層數(shù)）被低估，注意到轉(zhuǎn)換梁支撐點(diǎn)頂端的位移δ=F/K_n=Σ（R_i/G_i），可知計(jì)算所得各層梁的撓度比實(shí)際值大，支撐的內(nèi)力R_i比實(shí)際值大，從而使結(jié)果偏于安全。

3． 兩種砼澆筑方案的比較

兩種砼澆筑方案的選擇主要與轉(zhuǎn)換層所處的層數(shù)、工期和物資條件等有關(guān)。如轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換層所處的層數(shù)不高，支撐系統(tǒng)可便捷地利用地基土的承載力，原則上應(yīng)采用一次性澆筑方案，以縮短工期；如轉(zhuǎn)換層所處的層數(shù)較高，支撐系統(tǒng)層數(shù)太多，根據(jù)工期和物資條件，可優(yōu)先采用兩次澆筑方案。 （余紅生）