2023年《安全技术》之转换层支撑系统的选型及其安全性分析.docx

转换层支撑系统的选型及其平安性分析 随着我国建筑业的开展，在多功能的高层建筑中转换层的施工越来越普遍。由于转换层往往自重很大，支撑系统的设计计算有它的特殊性，设计计算不周那么可能导致支撑系统坍塌事故，造成人员伤亡和重大经济损失，所以，转换层支撑系统的设计是施工平安技术管理中控制的重点。 本文以笔者参与施工管理的深圳蛇口四海华庭工程转换层支撑系统的设计施工为例。阐述转换层砼浇筑方案的选用，并根据砼浇筑方案进行支撑系统的选型，分析其内力和变形，以保证施工平安。 深圳蛇口四海华庭工程总建筑面积23429m2。地下2层，地上21层，其中裙楼四层，为大轴网框筒结构，标准层17层，为小轴网剪力墙结构。地上第5层为转换层，面积1830m2，砼1921m3，钢筋506t转换层标高17.8m，主框架梁截面2022×1200mm，最大梁截面2022×1400mm，板厚200mm，采用C45泵送砼。 1． 转换层砼浇筑方案的选用 1.1 一次性浇筑成型方案 转换层砼可一次浇筑成型，也可根据叠合梁的原理分两次浇筑。如采用一次浇筑成型的方法，荷载（包括钢筋砼自重、模板及支撑、施工人员及设备、振捣砼的荷载等）经计算为31.7kN/m2，根据设计部门提供的楼面承载力，转换层以下5层楼面的总承载力为23kN/m2，因此，必须利用地基承载力，从地下室底板开始，层层搭设满堂红支撑至转换层。如采用48×3.5钢管，约需用立杆11000根，加上水平杆剪刀撑，约需用钢管340t。 1.2 分两次浇筑成型方案 根据本工程设计特点、工期和物资条件，为节约钢管等周转材料，决定转换层采用两次浇筑方案。第一次浇筑下半梁，浇筑高度800mm，经计算荷载为8.9kN/m2。根据设计部门提供的楼面承载能力，裙楼3~4层的楼面总承载能力为9.2kN/m2，因此只须布置2层满堂红钢管支撑，为节省钢管用量，支撑的间距逐层按扣除各楼层的承载能力的方法减少。上述满堂红支撑，约需用钢管立杆4000根，加上水平杆的剪刀撑，约需用钢管120t。比一次性浇筑少用钢管220t。 2． 支撑系统内力和变形计算 2.1 下半梁受力分析 第一次砼浇筑后，强度到达设计强度80%以上，开始进行上半梁及楼板的砼浇筑。此时下半梁承担的荷载为q=64.4kN/m，转换层楼板新浇砼及其它施工荷载qp=8.5kN/m2，那么通过满堂红支撑传递到四层和三层楼板（再由次梁传递到这两层主梁上），经计算，上半梁荷载将下半梁承载力的15%~25%，在整体大梁形成后，可视为承载力已发挥了15%~25%，而且下半梁钢筋产生的应变是永久性的、不可恢复的，降低了结构的可靠度。 2.2 第二次浇筑砼的支撑系统 为减少下半梁钢筋的永久性变形，通过在次梁支座处设置4×5φ48×3.5钢管的方法，将荷载逐层传递至于地下室底板，由各层大梁和钢管共同承担转换层的荷载。受力模型如图1。 图1 支撑系统计算图 2.3 支撑系统的荷载 转换层上半梁均布荷载为q，以在支撑点产生的竖向变形相等为条件，换算为等效集中力F7，F7的计算如图2所示，（b）、（c）、（d）、三种情况下梁的刚度Kbi分别为48（EI/l3）i、243（EI/4l3）i、162（EI/5l3）i。（a）图中的△1=5ql4/384EI与（b）图中的△1=Fl3/48EI必须相等，（a）图中的△2=0.01168ql4/EI必须分别与（c）图中的△=4Fl3/243EI和（d）图中的△2=5Fl3/162EI相等，以此条件可得出三种情况下的等效集中力F7： 图2 等效荷载计算示意图 ①F7=5ql/8；②F7=0.71ql；③F7=0.38ql F6和F5为由转换层楼板荷载传递而产生的第四层和第三层的次梁集中力。F6和F5的计算；转换层楼板新浇砼及其它施工荷载qp=8.5kN/m2，第四层和第三层的次梁所承受的板面荷载分布面积为Ap，可得F6=F5=qpAp/2。 2.4 内力与变形计算方法 Kci=（1/Gi+1/Ki-1）-1……（1） Ki=Kci+Kbi………………（2） Gi为钢管的轴向刚度，Gi=EA/Li，地下室底板K0可认为等于无穷大。由（1）、（2）式联立，从地下室板往上可逐层算出Ki和Kci值。 令R7=F7，从转换层逐层往下算，可得： 第i层钢管内力Ri=Ri+1Kci/Ki…………（3） 第i层梁板的支撑点挠度δi=Ri+1/Ki…………（4） 再分别令R6=F6，R5=F5代入（3）、（4）式各计算一次，将以上三次计算的结果叠加，便计算出各层钢管支撑的内力和各层梁的在支撑点的挠度。 2.5 计算实例 以次梁位于主梁1/2跨中的一榀框架之中一跨为例，计算过程如下： q=64.4kN/m，1=6m，F7=5ql/8=241.5kN=R7 I6=6h3/12=1.2×0.83/12=0.0512m4 E=3.15×107kN/m2（因强度只达80%，E值按C35砼考虑，但以下各梁那么按C45砼考虑） Kb6=48EI6/l3=35.84×104kN/m 其它各层梁：Ii=0.4×0.63/12=0.0072m4 Kbi=48EIi/l3=5.36×104kN/m i=1.5 钢管（统一取Li=4.5m）： G=EA/Li=2.06×108×9.78×10-3/4.5=44.77×104kN/m 局部计算过程列于下表 见表 图3 计算示意图 其它各层的Ri值和以F6和F5进行的计算从略。 经计算，第6层支撑20（4×5）根钢管的内力为R6=65.26kN，每根钢管的内力为3.3kN，小于其设计随载力（其它各层计算结果亦然），转换层下半梁的挠度为δ6=0.49mm，在允许范围以内（其它各层亦然），所有转换梁下半梁产生的弯距为其抗弯承载力的0.7~5.3%，且小于其开裂弯矩，经设计部门审核后认定满足结构的最终设计承载要求。 2.6 讨论 以上在计算各层梁的竖向刚度Kbi时，是按简支梁计算的，所得刚度Kbi比实际低，因此梁所分担的荷载被低估，钢管所分担的荷载那么被高估，从而使结果偏于平安；另一方面，因Kbi被低估，整个体系的刚度Kn（n为支撑的层数）被低估，注意到转换梁支撑点顶端的位移δ=F/Kn=Σ（Ri/Gi），可知计算所得各层梁的挠度比实际值大，支撑的内力Ri比实际值大，从而使结果偏于平安。 3． 两种砼浇筑方案的比较 两种砼浇筑方案的选择主要与转换层所处的层数、工期和物资条件等有关。如转转换层所处的层数不高，支撑系统可便捷地利用地基土的承载力，原那么上应采用一次性浇筑方案，以缩短工期；如转换层所处的层数较高，支撑系统层数太多，根据工期和物资条件，可优先采用两次浇筑方案。 （余红生）