高位转换层大截面混凝土梁施工的思考

高位转换层大截面混凝土梁施工的思考

陈磊,乔会丹,黄宏林,张铭,王莹,郑学锐

中国建筑第二工程局有限公司华南分公司  广东 深圳 518000

摘要：随着经济的飞速发展，人们对建筑功能的需求日益多元化，带转换层的高层建筑大量涌现，结构型式日趋复杂，施工难度也不断增大。如何保证高位转换层大截面混凝土梁（厚板）的施工荷载以最简单的方法、最短的路径通过模板支撑体系传递到竖向构件上，最终传递到基础上是施工阶段考虑的关键点。

关键词：高位转换层；大截面混凝土梁；施工荷载；模板支撑体系

1 工程概况

深圳科技馆（新馆）项目位于深圳市光明区新湖街道，项目占地面积6.6万㎡，建筑总面积约13.45万㎡，总建筑高度约57m，地下两层，地上六层，空间形体为非完整类椭球形态。项目二层以下为钢筋混凝土框架剪力墙结构体系，二层～五层为钢框架+钢筋混凝土剪力墙核心筒混合结构体系，六层为钢框架+钢桁架结构体系。二层以上部分钢框架由箱型、H型钢梁+圆管钢柱组成，钢结构总用量约2.5万t。二层为转换层，二层以上外围钢框架柱通过大截面混凝土转换梁（2300*1500）将竖向荷载传递给下部混凝土框架柱。

2 大截面转换梁施工分析

2.1 问题的提出

近年来，随着经济的飞速发展，人们对建筑功能的需求日益多元化，带转换层的高层建筑大量涌现，结构型式日趋复杂，施工难度也不断增大。深圳科技馆（新馆）项目地下两层，地上六层，二层以下为钢筋混凝土框架核心筒结构体系，二层以上为钢筋混凝土核心筒+钢框架结构体系。二层为转换层，二层以上外围钢框架柱通过结构外围一圈周长为488m的大截面混凝土转换梁（2300*1500）将竖向荷载传递给下部混凝土框架柱。

由于设计院与施工单位分工不同，对复杂高层建筑关注的侧重点也不一样，设计单位重点关注建筑的使用功能、立面外观和结构安全等，对施工操作的问题一般考虑较少；而施工单位则重点关注施工技术的可行性和经济性，两者缺乏深入的交流。对于高位转换层大截面混凝土梁结构，由于其截面大、施工荷载大、施工难度大，施工单位为实现设计意图，在转换层大截面梁模板支撑体系的选择时，要和设计进行沟通，进行技术方案可行性研究和对比分析，找出技术可行、经济合理的最优方案。

本项目首层层高7.5m，负一层层高6.05m，负二层层高4.65m，二层为转换层，大截面混凝土转换梁截面尺寸为2300mm（宽）*1500mm（高），自重线荷载达86.25kN/m（＞20kN/m），支模高度5.7m（＞5m），属于超过一定规模的危险性较大的分部分项工程。如何保证施工荷载以最简单的方式、最短的路径通过模板支撑体系传递到竖向构件上，最终传递到基础上是施工阶段考虑的关键点。

图1 转换层大截面混凝土梁三维平面示意图

图2 转换层大截面混凝土梁三维剖面示意图

2.2 施工方案比选

根据施工荷载传递方式和路径的不同，转换层大截面混凝土梁模板支撑体系的设计思路，归纳起来，可分为三大类，即荷载传递法、叠合梁法、型钢自承重法。

第一类，荷载传递法，即梁下设置支撑体系，转换层大梁（厚板）一次浇筑成型，施工期间的荷载通过支撑体系传递到下部已施工结构上。根据荷载向下传递的楼层数又可分为荷载单层传递法、荷载多层传递法和荷载基础传递法。

荷载单层传递法指大梁施工荷载只向下传递一层，下面楼层的梁板完全承受上部大梁的施工荷载，此种方法一般需要设计单位在设计阶段考虑上层大梁的施工荷载，需要设计有足够的施工经验。当转换大梁数量少且转换梁所在楼层数较高时适合采用此种方案；当转换梁数量较多时，采用此种方案结构材料的用量会有较大程度的提高，会增加业主的投资，业主和设计院一般不会同意此种做法。考虑到此方案支模体系搭设简单，施工速度快，若增加的结构材料费用比其他技术措施费用少，且增加的这部分费用施工单位自行承担时，此方案有一定的优势，特别是随着人工成本的提高，优势将更加的明显。

荷载多层传递法指大梁施工荷载向下传递多层，根据下面楼层梁板的设计承载能力进行分摊，直到大梁的施工荷载完全被结构承担。一般按下部若干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搭设的支撑体系的层数。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受力结构体系，各楼层的变形是协同一致的，当各个楼层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，使用荷载大小不一，梁板构架截面尺寸各异，导致各楼层的梁板刚度不一致，致使某些梁板构件实际承担的施工荷载与计算的假定不符，有可能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，会造成结构构件的损伤。如若施工过程中某些楼层的梁板出现裂缝，在裂缝事故分析和处理过程中又忽视这方面的原因，有可能给后期使用留下安全隐患。

荷载基础传递法指大梁施工荷载向下传递，一直传递至基础（底板），中间楼层的梁板不承受大梁的施工荷载。转换层设置在地下室顶板或者二层楼面等距离基础（底板）的层数较少时具有较好的经济效果，因为转换层大梁在一次浇筑成型的过程中，施工荷载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基础（底板）上，支撑体系材料用量相对较少，力的传递简单明了；当但高位转换时，此种方案支撑体系材料的用量较大，且影响地下室的后续施工，非常不经济。

第二类，叠合梁法，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）一次成形带来的支承困难，利用先形成的结构支承上部叠合层施工荷载。

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。

第三类，型钢自承重法，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，型钢或钢桁架既可作为永久承载构件使用，又可承受转换层施工荷载。

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，造成型钢的型号繁多，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。但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，将梁体模板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 荷载基础传递法施工工艺流程及施工要点

本项目转换梁位于2层板面，离基础3层，大梁底下楼层按大梁要求搭设支模架，采用荷载基础传递法施工，比较合理。采用荷载基础传递法能避免采用荷载单层传递法时下部结构承载力不够需要设计复核增加结构材料的情况；能避免荷载多层传递法因各楼层的梁板刚度不一，致使某些梁板构件实际承担的施工荷载与计算假定不符，造成部分梁板损伤的后果；能避免叠合梁法留下永久施工冷缝的缺点；能避免型钢自承重法因满足支模要求而增设型钢造成的材料浪费。

3.1 施工工艺流程

确定结构施工质量标准→结构荷载分析→盘扣式支撑架设计→专家论证确认专项方案→支撑架施工材料准备→支撑架基础处理→负二层支撑架搭设→负一层梁板施工（→梁侧模拆除→养护）→负一层支撑架搭设→首层梁板施工（→梁侧模拆除→养护）→首层支撑架搭设→二层转换大梁施工（→梁侧模拆除→养护）→沉降监测→二层转换大梁达到设计强度后拆除首层支撑架→拆除负一层支撑架→拆除负二层支撑架。

3.2 支模体系的计算分析

本支撑体系采用60系列盘扣架，计算分析包括以下内容：1）梁底模的抗弯和变形验算，2）梁下支撑次梁的抗弯、抗剪和变形验算，3）梁下支撑主梁的抗弯、抗剪和变形验算，4）可调托座的承载力验算，5）立杆的稳定验算，6）支撑架体的高宽比复核，7）支撑架体的抗倾覆验算，8）支撑架体立杆基础的承载力验算。

支撑架体具体计算参数如下：1）大梁截面尺寸为2300*1800mm；2）立杆在梁跨度方向间距为900mm，梁底最外侧立杆横向间距为2400mm，梁下横向共5根立杆，间距为600mm；3）支撑架中间层水平杆最大步距1500mm，支撑架顶层水平杆最大步距1000mm，可调托座伸出顶层水平杆的长度不大于650mm；4）主梁沿大梁跨度方向布置于顶托内，最大悬挑长度为450mm；5）次梁沿大梁横截面方向按等间距170mm布置于主梁上。验算均满足要求，具体计算略。

图3 转换层大截面混凝土梁支撑体系剖面示意图

3.3 大体积混凝土的浇筑施工

考虑到大截面转换梁浇筑也属于大体积混凝土施工，混凝土的级配及拌和程度关系到梁体质量。因此，本次转换梁混凝土全部采用商品混凝土，并提前和混凝土生产厂联系，选用相应合适的水泥、粗细骨料、添加剂等，保证混凝土的水化热不致过大，并有良好的抗裂性能。

在每个泵送混凝土浇筑区域布置3台插入式振捣器，为防止堆料集中，须先振捣出料点处的混凝土，使之形成自然坡度，然后成行成列由下而上全面振捣，振捣棒插点要均匀排列；每一插点振捣时间以20s-30s为宜，当混凝土表面呈水平并出现均匀的水泥浆且不再冒气泡、不显著下沉时方可停止振捣，振捣棒每次移动距离不宜超过振捣棒有效半径的1.5倍（月40cm），特别是在鞋面底部和边角处还要加强振捣。振捣棒与模板边缘距离不得超过0.5倍振捣棒有效作用半径，且不得漏振，并注意避免碰撞钢筋和预埋件。

本层转换大梁混凝土强度等级为C35P6,为准确了解混凝土内部温度变化情况，浇筑前设置测温点，测温点顺着梁跨度方向每3m设置一处，设于梁截面中部，采用上中下三个测温段和表面大气测温点比较（或测养护水温度）。在在混凝土温度剧烈上升阶段每2h测温一次，在温度缓慢上升阶段每4h测温一次，在温度下降阶段每8h测温一次。当内外温差超过25℃时应立即派人在混凝土表面另加设两层麻袋覆盖，搭接处需严密，同时适量减少浇水量，以防因为水分大量蒸发而使热量散失。

为保证转换梁在施工过程中的安全稳定，在转换梁混凝土强度达到100%后，将其下各层支撑拆除，先拆除转换层支撑体系，随后拆除其下各层支撑体系。

3.4 支模架沉降监测

主要监测内容包括模板沉降、整体位移、顶杆失稳、斜拉杆失效，支撑体系倾斜，承压过大等。系统采用无线自动组网、高频连续采样，实时数据分析及现场声光报警。在施工监测过程中，及时响应危险情况，提醒作业人员在紧急时刻撤离危险区域，并自动触发多种报警通知，及时将现场情况告知监管人员，有效降低施工安全风险。

4 结论

从结构受力角度来说，转换层大梁宜采用一次浇筑成型，转换层大梁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。

本文分析的荷载基础传递施工方法，能将转换层大梁的施工荷载由支撑体系一层一层的传递给基础，是传力途径最直接的方法。虽然支撑体系材料用量有一定程度增加，但是相对于采用其他的施工方法，其支撑体系有施工荷载传力途径明确，施工简单，有利于控制施工质量等优点，特别是转换大梁一次浇筑成型，结构构件的可靠性好。同时，本方法无需设计单位的配合，施工单位技术人员可自行进行受力分析和架体施工，减少沟通成本，是值得推广的一种做法。