预应力转换层结构工程设计与施工

南京状元楼酒店扩建工程总建筑面积31000 m2。主楼地上12层，局部退层，总高45m，标准层面积2300 m2，裙楼地上3~7层，主楼和裙楼设1层地下室。

该工程选用框架结构体系。基础采用桩基，主裙楼之间不设缝，仅留后浇带。4层以下大柱网楼板采用双向密肋板，板厚为70mm，肋高300~350mm。5层以上现浇板厚为90mm。混凝土强度等级：1~4层为C40，5~8层为C35，9层以上为C30。

按照建筑功能要求，地下室为停车库，主楼4层以下设有商场、大堂、餐厅、文化娱巧公共设施，5层以上均为客房。裙楼2层中部需设置1个多功能厅兼大宴会厅，要求形成跨度为19.6m、局部2层高的大空间，并且在其上方再设4层公寓。为此结构柱网布置要适应上述建筑要求，开间取8m，在4层以下，主楼采用两跨框架，裙楼采用单跨框架，在5层以上采用三跨框架，利用设备层作为结构转换层来实现上下柱网的改变，即主楼通过两跨(8.6m+8.6m)转换层结构支承8层三跨(6.55m+4.7m+5.95m)框架。裙楼通过单跨（19.6m）转换层结构支承4层三跨(5.95m+7.3m+5.95m)框架。这样的结构布置可使5层以上客房及公寓中每层框架梁高度减小15cm，既满足了规划部门对总高度的限制，又保证了12层总层数，使业主获得了较大综合效益。

转换层结构设计是该工程设计的重点。目前国内转换层结构大部分采用梁式，此外还有斜腹杆桁架、箱形梁和实体厚板等。这些转换层结构配筋多数仅配非预应力筋。经试算发现，该工程在同等截面条件下，若采用非预应力转换层结构，配筋较多，不便施工，支座处抗裂不能满足规范要求;若在转换层结构上施加部分预应力，可改善结构受力性能，减少挠度和梁截面高度，并节约钢材，提高梁的抗裂性。

由于该工程设备层兼做结构转换层，为了节约空间，降低造价，在主楼转换层结构上要设置300mm×1200mm设备孔洞。为此主楼转换层结构拟定2个方案，其中方案一为预应力混凝土开洞大梁，方案二为预应力混凝土桁架结构；裙楼转换层结构院采用单点腹梁。

随着预应力技术的发展和推广，在多(高)层建筑中采用预应力转换结构是重要的发展方向之一。然而，预应力转换层结构设计面临一些新的问题值得研究，例如:(1)预应力转换层结构抗震性能如何?怎样进行抗震设计?(2)预应力转换层结构设计的薄弱环节在何处及采取何种构造措施?(3)预应力对转换层结构影响如何?对于上述问题，现行规范尚未有明确条款。为此，只能通过选择最佳方案，正确计算，模拟试验验证和合理的构造措施综合解决。

针对该工程预应力转换层结构，围绕开洞实腹梁、单跨实腹梁及斜腹杆桁架等3种预应力转换层结构先后进行了模拟抗震性能试验研究。根据实际工程截面、内力和配筋，并结合试验室条件分别做了3榀1︰5模型结构在低周反复荷载下(保持竖向力不变)的试验。完成低周反复荷载试验后，又对开洞实腹梁和斜腹杆桁架两个模型进行了改进，按1︰15模型结构进行拟动力振动台抗震性能试验。通过模拟试验得出以下结论：

1.只要进行合理的抗震设计，在地震作用下，开洞实腹梁和单跨实腹梁这两种预应力转换层整体结构安全可靠，具有良好的抗震性能。预应力和桁架转换层结构在层高小于3m时易形成“超短柱"，故不宜采用;但只要选择受力明确的形式，并且加强腹杆和节点区，使桁架各杆件受力均匀，桁架结构也可获得较好的抗震性能(这点在振动台试验中已得证明)。考虑到本工程具体情况，主楼转换结构采用方案一，即预应力开洞实腹梁转换层。在极限荷载作用下，预应力开洞转换梁上能出现塑性饺。

2.与转换层相邻的上层和下层框架柱是整体结构的薄弱环节，必须特别加强。通过构造措施达到强柱弱梁，从而提高整个结构的耗能能力和延性，避免转换层结构上层框架因柱脚破坏而倾覆破坏。

3.根据内力图合理布置预应力钢筋能大大延缓危险截面裂缝的出现和开展。转换层结构跨中和支座内力较大，由于施加了部分预应力，使这些截面免遭破坏，甚至裂缝都很小。必须指出，部分预应力度取值以PPR=0.55~0.70为宜。预应力度取值过高会使结构耗能降低，延性变小。该工程按抗裂要求选择预应力筋，按强度和延性要求配置非预应力筋，试验表明设计合理。

4.开洞实腹梁的孔洞位置只要设置合理，孔洞并不降低梁的抗弯强度，但会降低梁的抗剪承载能力。故洞口位置要合理，并应加强洞口周边的结构，约束洞口处裂缝开展，提高整个结构的承载能力。

该工程预应力转换层结构内力计算分两步进行。首先用TBSA程序进行结构整体分析，虽然转换层梁高为一层高，但不属于深梁，可按杆系结构考虑，故电算时将转换梁轴线定在转换层上层楼板处，梁的刚度取实际刚度。从TBSA电算结果中摘出作用在转换梁上的所有外力，然后施加部分预应力，同时考虑预应力施工模拟工况进行转换梁的单榀分析。根据整体分析和单榀分析得出的内力及配筋，制作小比例模型试验进行验证。试验证明，这种计算方法的结果与模拟试验基本吻合。

主楼和裙楼预应力转换梁截面分别为600mm×2400mm和700mm×2400mm，转移梁结构见图4-5-1、4-5-2，预应力钢筋布置示意见图4-5-3、4-5-4。预应力钢筋采用一端张拉，每束预应力钢筋为1725级7Φj15钢绞线，用金属波纹管预留孔道，锚具为QM锚固系统。部分预应力PPR取0.55~0.70，预应力理论损失值：直线布置为20%，曲线布置为37.4%

(实测损失为40%左右)，转换层结构层框架施工3层后张拉预应力，满足设计要求。

根据模拟试验出现的薄弱环节，在设计转换层结构时采取以下构造加强措施:

严格控制转换层结构框架柱轴压比，保证柱子有较大安全储备。该工程柱轴压比按抗震等级提高l级控制。

加强转换层相邻上、下层柱配筋率及柱混凝土约束，柱内箍筋采用焊接接头，以防箍筋崩开。对截面大的方柱，在其内增加内切螺旋箍。

控制开洞梁上洞口高度不超过转换梁高的1/3，并且把洞口布置在上层框架柱45°扩角以外，洞口边缘用型钢加强，洞口上、下弦杆内箍筋加密，以增加其抗剪能力。

单跨实腹预应力转换梁框架边柱用组合型钢加强，并通过框架节点向上延伸一段。

根据内力图合理布置预应力钢筋。预应力转换梁部分预应力比取0.55~0.70。根据抗裂要求选择预应力钢筋，按照强度和延性要求配置非预应力筋，控制梁内受压区相对高度x/H0≤0.35。梁内裂缝宽度不超过0.2mm，使梁截面有足够延性。

上述措施就是要达到强柱弱梁，强剪弱弯，加强转换层耗能在其上层的抗震设计目标。

1. 铺设预应力筋和金属波纹管预应力混凝土转换层大梁钢筋密集，故施工中预应力筋和金属波纹管应同时铺设，波纹管和非预应力筋合理穿插进行，施工顺序为:立模板的支撑和底板，安放底部主筋，套上箍筋，铺放波纹管，把钢绞线装上引套逐根穿人，标出孔矢高并焊支架，就位波纹管，安装端部螺旋筋及锚垫板。

2. 选用锚固体系该工程采用QM锚固体系，张拉端用QM15—7夹片式锚具，固定端采用自行设计的群锚配件及挤压锚;配备机具有YCW-100~150型穿心式千斤顶及GYJ-l50挤压机等。

3. 分阶段施加预应力该工程按设计要求应分阶段施加预应力，即根据不同阶段的荷载分次张拉，对1~8层的预应力梁在施工到3、6、8层时分别进行预应力筋张拉;一抬四的预应力梁在2、4层张拉。后经模拟试验及现场测试结果分析，决定预应力转换梁施工到转换层以上3层时，一次施加预应力至设计要求。测试结果表明，转换层预应力梁的上下边缘拉或压应力一直处在允许范围之内。