复杂劲性结构转换层的设计与施工优化探讨

复杂劲性结构转换层的设计与施工优化探讨

罗浩、尹秋冬、罗渝文、郝俊能、朱永刚

中建八局新型建造工程有限公司，上海 200125

[摘要]城市综合体以建筑群为基础，融合商业零售、商务办公、酒店餐饮、公寓住宅、综合娱乐五大核心功能于一体的“城中之城”，是功能聚合、土地集约的城市经济聚集体。为在同一单体建筑实现多种使用功能，可在建筑中间设计一层转换层，达到底层为商业，上部为办公或住宅的目的。所谓转换层，就是由下面的大框架空间结构过渡为剪力墙结构的结构体系转换，从而满足商业、住宅、交通、办公于一体的多功能建筑群的设计布局。转换层结构的主要特点为钢筋排布密集，钢混组合节点复杂，梁截面尺寸大，支模架体系要求高，故转换层施工的设计与施工优化尤为关键。

[关键词]转换层；钢混组合节点；设计与施工优化

一、引言

目前各大城市土地资源日益紧缺，在公共交通、商业中心的密集加持下，单一的功能性建筑已无法满足城市人口的多样性需求。下部结构需要做购物中心，交通枢纽，餐饮文化等公共设施，故需要更大更灵活的布置空间；上层建筑为私密性个人住宅，从结构受力角度看，需要承受水平荷载较大的剪力墙分隔空间。转换层就起到承上启下的关键作用，即将上部分隔空间的剪力墙荷载通过转换梁传递给下部框架结构。

二、工程概况

某项目转换层原设计图中（局部）转换柱（截面1200×1200）内含钢柱（H700×350×30×45），相邻的两个单跨梁分别为KZL9(1)1200×1800  60C32 18/18/18/6；60C32 6/18/18/18 内含型钢H1200×100×25×25、KZL19(1)1200×1600  24C28 18/6；24C28 6/18 内含型钢H1000×100×25×25。根据截面计算得到理论状态下纵筋间距31mm，考虑是两个单跨梁，梁纵筋互锚入柱的情况下，混凝土无法正常浇筑。

三、设计优化

（一）bim可视化全过程施工模拟

项目通过bim技术所具有的可视化功能，将各专业设计人员的工作集中到一起，聚合成一个整体可操作性的模型。模型中整合了梁板柱等结构体系、模板支撑体系、内置型钢结构、机电预留预埋等系列分项工程，其中钢筋间的碰撞问题尤为激烈。根据图集要求，转换柱纵筋在锚入梁内的前提下，转换梁纵筋锚入柱内，纵横向梁纵筋相互叠加，此时还要考虑多道梁柱箍筋及抓换层上部结构的剪力墙纵筋插筋，在bim可视化模拟下，项目发现多处钢筋碰撞等无法正常施工的节点，比如通过可视化模型发现梁纵筋与侧向梁纵筋、梁纵筋与柱纵筋位置冲突的情况，此时可先考虑左右调整对应碰撞钢筋的位置，避开碰撞区，同时上下调整梁纵筋排布，使无法贯穿的梁纵筋绕过钢柱，避免施工时不可逆失误。

（二）通过等强度代换及钢筋贯通原则进行设计优化

通过bim可视化深化调整，项目发现原设计图中钢筋密集程度已无法调和，即使穿多排，在内外箍筋的夹击固定下，钢筋净间距已小于设计强度混凝土的平均粒径，即混凝土无法正常浇筑。经与设计沟通确认，将原设计图中转换梁KZL9(1)1200×1800  60C32 18/18/18/6；60C32 6/18/18/18 内含型钢H1200×100×25×25、转换梁KZL19(1)1200×1600  24C28 18/6；24C28 6/18 内含型钢H1000×100×25×25优化拉通，由单跨梁优化为多跨梁，贯通后避免了不同跨的梁纵筋在梁柱核心区互锚；通过受力分析将不同直径的钢筋统一，其次将三级钢优化为四级钢，通过提高钢筋强度等级的等强度代换原则，减少梁纵筋数量，增加梁纵筋净间距，优化后转换梁配筋为KZL9(4) 1200×1800  30D32 14/14/2；36 D32  2/17/17 内含型钢H1000×100×25×25。此时再通过bim可视化模型模拟调整，钢筋间的碰撞率大幅降低，大大降低了bim可视化调整钢筋碰撞的工作量，提高了转换层钢筋绑扎施工效率。

（三）钢结构深化节点设计优化

（1）本项目转换层作为框架结构转变剪力墙结构的载体，内置型钢柱须在转换层收头，收头的高度过高则影响纵横向转换梁纵筋的排布，施工后将会高出结构完成面，过低则失去劲性柱的作用，最终经过项目多方考量，钢柱柱顶至转换层结构面标高预留250mm，使柱纵筋弯锚，纵横向梁上部纵筋堆叠预留有效的可施展空间。

（2）项目根据日常施工过程中发现的部分梁纵筋与柱翼缘板上的接驳器无法正常连接的情况总结分析，得出以下几点原因，一是接驳器焊接受热较易变形，接驳器根部微变形下，钢筋直螺纹接驳露丝过多，不符合规范要求，项目建议将接驳器长度适当增加，让焊接变形区域留在接驳器根部不影响钢筋最终连接端的位置，经项目实际试验对比发现增加接驳器长度后钢筋与接驳器连接质量有明显提升；二是钢柱在拼装焊接过程中存在不同程度的扭曲变形，焊接在柱翼缘上的接驳器角度因此发生偏转，在柱纵筋及梁纵筋密集的情况下，偏转后的接驳器与梁纵筋连接操作十分困难，故控制钢柱焊接过程中产生的扭曲变形也很重要，经项目研究，要求工厂加工时在柱身非核心区增加25mm厚的缀板，缀板间距为500mm一道。

（3）本项目转换梁下部纵筋连接一般分为三种形式，一是通过柱翼缘的接驳器相连接，二是通过型钢柱腹板上的预留穿筋孔穿过钢柱，三是梁底纵筋直接绕过型钢柱翼缘。根据bim可视化模拟发现，部分转换梁下部钢筋的标高处于同一水平面，故钢结构在深化时需要提前考虑将纵横向的穿筋孔高度要错开2根钢筋的直径间距，否则纵横向的梁下部钢筋仅能满足一侧贯穿。

图1 转换层梁柱节点钢筋优化前             图2 转换层梁柱节点钢筋优化后

四、施工优化

（一）结合bim可视化推演施工过程以发现施工重难点

（1）通过可视化模型共享，项目组织各专业队伍对各自负责的专业区块进行拆解分析，提出各自专业内的紧前逻辑工序，进而分裂为各工序间需要密切配合并分段验收的流程图。比如为方便转换梁下部钢筋施工，柱箍筋在型钢梁高范围内的位置需要在转换梁下部钢筋施工完成后再焊接在型钢梁上。

（2）本项目转换梁中的型钢梁高宽比较大，为防止焊接变形，型钢梁安装成型后预先用8#角钢进行整体加固，将柱牛腿与型钢梁用角钢交叉焊接连接。同时为防止夏季白天温差大焊接引起应力集中，焊接时间尽量控制在早晚，温度在20℃左右适宜，防止大变形，影响转换梁纵筋及箍筋绑扎。

（3）本项目纵横向的转换梁较多，同一跨度方向的转换梁纵筋尽量控制在同一水平内，先穿短跨方向的主梁筋，再穿长跨方向的主梁筋，最后穿次梁筋，防止纵横向的梁交错施工。转换梁纵筋间垫放木方，便于垂直方向的梁钢筋交错穿过。

（4）本项目考虑转换梁高较大，模板支设时，仅铺设梁底模，同时板下支模架搭设高度平梁底，仅在板区域靠近转换梁侧方向设置上人便道用于绑扎梁下部纵筋操作站位，待梁下部纵筋施工完成并验收通过后再重新支设板面模板并绑扎板面钢筋。

（二）施工前进行钢筋排布放样优化

柱纵筋按16G101-1图集框支梁、转换柱做法，柱纵筋向梁内弯锚，梁纵筋向下锚入柱内。柱纵筋弯锚点与型钢梁上翼缘齐平，尽量避免影响梁面钢筋排布。（①注意控制柱纵筋弯锚的高度。②注意柱纵筋弯锚方向，有梁时平行于梁方向弯锚，无梁时垂直锚入柱内。③注意将柱纵筋连接接驳器改为正反丝接头。）

（三）梁柱节点区域接驳器连接处优化

由于转换梁纵筋与钢柱翼缘连接方式为机械连接，故两端均设置接驳器连接的梁纵筋必须断开处理，此情况可用熔槽帮条焊焊接形式连接，因转换梁高较大，纵筋密集，项目经过调研，采用市场上创新的长杆焊枪技术，焊工能使焊枪穿过梁面筋伸入梁底进行梁柱节点焊接，解决了焊接操作难的问题，值得注意的是熔槽帮条焊的焊条要求须满足规范要求。因纵横向梁纵筋多排且密集，尽量避免梁纵筋搭接焊。

图3 熔槽帮条焊示意图                      图4 长杆焊枪示意图

（四）对混凝土的浇筑顺序及选型优化

（1）转换层梁柱节点区域钢筋过于密集，为防止从梁柱节点核心区浇筑混凝土可能会使较大粒径粗骨料卡在柱顶部，项目考虑在梁底标高处的柱模板上设置喇叭口，先浇筑转换柱，使柱混凝土充盈密实，柱浇筑完成且达到设计强度的75%后继续浇筑梁板混凝土。

（2）因梁柱节点钢筋较密，浇筑此处时采用同强度等级自密实混凝土浇筑。

五、总结

随着我国城市化建设进程的加快，转换层的应用已不以为奇，面对转换层复杂节点、穿插密集的施工工序及超大工程量，通过上述技术优化应用，提前明确施工工艺流程，筹划劳动力，部署施工机械等，把控好转换层施工过程中的重难点。希望能为其他类似项目的设计及施工提供部分参考和建议，为内含型钢的转换层施工技术管理的提升奠定良好的基础。

参考文献

[1]王红伟.焊接残余应力变形影响及消除调整措施.建筑工程技术与设计，2015（22）：1800.

[2]曹昕吴丽华《高层超高大梁转换层施工技术》[J] .建筑技术2011,42(5)

作业简介：罗浩、男、工程师，出生于1992年6月，联系地址：四川省成都市郫都区川菜产业园，邮箱：luohao@csceczj.com