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混凝土结构梁式转换层住宅施工技术及其可靠性探讨
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内容提示：引言高层建筑结构施工过程中,由于结构几何形态和材料特性的时变性显著,同时复杂的施工荷载、不同的施工工艺、不同的施工人员素质等,都使得结构在施工阶段具有最为复杂的分析特性和最大的失效概率。据统计,我国工程倒塌事故不断发生,平均不到五天一起,而其中近90%的事故发生在施工阶段
引言
高层建筑结构施工过程中，由于结构几何形态和材料特性的时变性显著，同时复杂的施工荷载、不同的施工工艺、不同的施工人员素质等，都使得结构在施工阶段具有最为复杂的分析特性和最大的失效概率。据统计，我国工程倒塌事故不断发生，平均不到五天一起，而其中近 9 0 %的事故发生在施工阶段川。同时，施工过程中的一些操作还对结构使用阶段的性能产生了一定的初始损伤，这一切都说明施工因素对工程质量的影响大，所以如何规避质量风险，确保施工质量达到要求，是工程人员必须面对和解决的问题。高层建筑设计中，当上下楼层的结构形式不一样时，往往通过设置转换层来进行转换。这种转换层起到了承上启下的作用，受力相当复杂，是结构设计中的难点。同时转换层截面尺寸大，混凝土和钢筋的用量都非常大，且施工过程中的不确定性因素多，给转换层的施工及其质量控制带来了很大的难度。转换层的施工无疑是高层建筑结构施工的难点和重点所在。如果施工控制不到位，或没有事先根据要求制定合理的施工方案，都很容易造成施工过程中发生这样或那样的质量问题，严重的甚至会导致返工的重大损失。因此对于转换层的施工应该高度重视关键的施工技术问题并对相关因素进行分析，制定可行的施工方案，从而保证转换层施工的可靠性。（参考《建筑中文网》）
一、影响施工可靠性的主要问题
1. 施工过程中不确定性因素的研究
对不确定性因素的研究主要是对影响构件的承载能力以及荷载变化的因素进行分析。影响构件的承载能力以及荷载变化的因素整体上可以分为正常因素和非正常因素。所谓正常因素是指无法避免的，在正常施工情况下一定发生的。包括混凝土的早期强度变化规律，正常的环境改变如气温变化，不可控的施工误差等因素。非正常的因素主要包括人为因素及意外情况的发生。施工过程中人为错误发生概率大，只有通过加强管理来尽量减少其发生的次数。施工中人为错误的影响体现在以下几个方面:
（1 ）可控的施工误差，可控误差主要体现在定位尺寸错误、钢筋缺少、钢筋位置颠倒、钢(箍)筋直径用错等，总起来说就是“缺少”和“放错”，其发生的原因是现场质量管理没有严格把关。
（2 ）施工操作错误，主要体现在没有按照正规的施工工艺进行施工，从而留下质量隐患。如混凝土的振捣不良而导致混凝土的密实度问题。
（3 ）材料控制不严，一些不合格的材料被使用。
（4 ）不正确的处理措施，表现在管理者的决策错误上。意外情况一般发生概率很小，但一旦发生将会带来灾难性后果，例如地震和地质情况。对于意外情况的应对，当前较常用的方法是采用工程保险或工程担保来规避意外事件带来的风险。同时，对于施工过程中人为错误的影响，也相继出现了一些险种来保障各参与方的利益。
2. 自然灾害与人为因素的影响
在设计过程中，有时考虑得并不多，混凝土结构的施工技术有时会因为其施工物品的质量不过关或者由于其质量太低劣，从而引起其转换层没有达到预期所设计的标准，并且转换层的质量在建好后还有可能受热气、风雨、雪、冻融、地震、疲劳、以及人为因素等外来作用，许多高层建筑过早出现各种各样的缺陷和病害，甚至尚未建成时，就出现严重的工程缺陷，或者刚投入使用，就不得不进行维修。引起混凝土病害是一个复杂的问题， 不考虑洪水、地震、撞击等自然灾害因素外，还有钢筋锈蚀、冻融破坏、碱骨料反应、氯离子侵蚀等受到影响。
3. 设计质量严重不足
根据国外一项统计，在民用建筑中，由于设计原因所发生的各种质量事故，所占比重高达 4 0 . 1 % ，居于各种原因之首。我国曾对建筑行业 5 1 4 项工程事故的原因进行统计分析，发现因设计原因造成的工程事故占 4 0 % 。更为重要的是，设计阶段失误所造成的质量问题，常常是施工阶段难以弥补的，甚至有可能会带来全局性或整体性的影响，从而影响到整个工程项目目标的实现。
4. 转换层大梁设计方面存在的问题
转换结构层具有与一般结构层相比结构重量大、结构层刚度大、几何尺寸超大、受力复杂等特点。这样的尺寸和重量意味着转换结构组成了建筑物的主要构件。它们的设计是否合理、安全、经济对整个结构的安全性、结构造价、施工费用等有着重要影响。但一些结构设计人员在实际进行转换层设计时显得无从下手，没有可操作、可遵循的设计思路、设计原则来进行结构设计。造成这种现象的主要原因是当前转换层设计没有相关的可遵循的设计准则，设计人员难以进行结构选型、截面确定、计算模型确定、计算方法确定，计算结果应用以及配筋方法的实施等一系列结构设计步骤。这种现状与我国当前高层建筑的迅猛发展是不相适应的。另一方面，现有的转换层设计方法，主要是针对形式简单、受力相对简单的转换梁，对于受力复杂的转换梁还没有深入研究。即便是对于形式简单的转换梁，其受力性能也没有完全清楚，而往往是互相混淆，设计概念不明确，设计原则不准确。对于转换梁的配筋方法也限于用普通梁的配筋方法加以套用，造成转换梁截面超大、配筋偏多。
二、转换层结构的概括
随着高层建筑的发展，建筑物的功能不再单一，如公寓、旅馆、办公楼等均在建筑物下部设置商店、银行、公共大厅、会议中心、停车场等需要较大跨度的公共空间。建筑物功能的改变要求建筑结构形式的改变，而上、下结构形式的变化，就需要一个转换结构，以完成上部结构力传递至下部结构的要求。
1. 从结构角度看，转换层结构的功能主要有：上、下层结构形式的转换，上、下层结构轴网的转换，上、下层结构形式和结构轴网同时转换。
2. 转换层结构的几种主要形式：梁式转换层结构，板式转换层，箱形转换结构，析架转换结构。
3. 梁式转换层
现代高层建筑由于使用功能要求大空间，往往需要采用转换层结构。梁式转换层结构是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，其传力途径采用墙( 柱卜争转换梁 - 柱(墙)的形式，具有传力简单、明确的优点，便于计算、分析，且造价较节省。从 70 年代中期，国内开始尝试使用梁式转换层，到现在短短的几十年时间内，梁式转换层的工程应用发展很快。从国内外 1 0 5 栋高层建筑采用的转换层的统计结果来看，采用梁式转换层的高层建筑有 8 1 栋，约占 7 7 % 。但是由于梁式转换层结构形式的多样性，作为主要受力构件的转换梁表现出的受力特征也各不相同。实际工程中梁式转换层的结构形式多种多样，从跨度上，可分为单跨、双跨及多跨；从上部墙体形式上，可分为满跨和不满跨、开洞和不开洞和开窗洞；从棍凝土结构梁式转换层施工技术及其可靠性的研究转换梁功能上，可分为托墙和托柱；从转换梁形式上，可以分为加腋与不加腋；从转换梁结构采用材料上，又可分为钢筋混凝土、预应力混凝土和钢骨混凝土、钢结构等。
三、可靠性的定义
在工业界，可靠性被定义为：产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性工程则是为了达到系统可靠性要求而进行的有关设计、试验和生产等一系列工作的总和，它与系统整个寿命周期内的全部可靠性活动有关。“产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的”这一句话包含了可靠性的全部内涵。如果说高层建筑是产品，那么基层、梁式转换层、面层就可以认为是组成高层建筑结构的基本元件。基本元件的可靠度是相对于理想状态而言的，其可靠性是产品的内在特性。如果高层建筑的设计使用寿命为 1 0 0 年，并且在使用年限内必须具有满足行车要求和抵抗外界环境损坏的能力，那么其梁式转换层不急要达到设计要求，且在设计考虑的运营和环境条件下使用寿命也能够达到要求，则可以认为该建筑具有完全可靠性，其可靠度为 1 0 0 % 。如果梁式转换层在承受了设计累计只是设计的 8 5 % 时。就已经发生了超出容许的破坏或者变形，则认为该建筑的可靠性则是大大的降低，因此在设计过程中要严格的把关，并牢牢的把握施工过程的技术。
四、加强梁式转换层可靠性提出的一些建议
高层建筑结构施工过程中，由于结构几何形态和材料特性的时变性显著，同时复杂的施工荷载、不同的施工工艺、不同的施工人员素质等，都使得结构在施工阶段具有最为复杂的分析特性和最大的失效概率。据统计，我国工程倒塌事故不断发生，平均不到五天一起，而其中近 9 0 %的事故发生在施工阶段川。同时，施工过程中的一些操作还对结构使用阶段的性能产生了一定的初始损伤，这一切都说明施工因素对工程质量的影响大，所以如何规避质量风险，确保施工质量达到要求，是工程人员必须面对和解决的问题。高层建筑设计中，当上下楼层的结构形式不一样时，往往通过设置转换层来进行转换。这种转换层起到了承上启下的作用，受力相当复杂，是结构设计中的难点。同时转换层截面尺寸大，混凝土和钢筋的用量都非常大，且施工过程中的不确定性因素多，给转换层的施工及其质量控制带来了很大的难度。转换层的施工无疑是高层建筑结构施工的难点和重点所在。如果施工控制不到位，或没有事先根据要求制定合理的施工方案，都很容易造成施工过程中发生这样或那样的质量问题，严重的甚至会导致返工的重大损失。因此对于转换层的施工应该高度重视关键的施工技术问题并对相关因素进行分析，制定可行的施工方案，从而保证转换层施工的可靠性。（参考《建筑中文网》）
一、影响施工可靠性的主要问题
1. 施工过程中不确定性因素的研究
对不确定性因素的研究主要是对影响构件的承载能力以及荷载变化的因素进行分析。影响构件的承载能力以及荷载变化的因素整体上可以分为正常因素和非正常因素。所谓正常因素是指无法避免的，在正常施工情况下一定发生的。包括混凝土的早期强度变化规律，正常的环境改变如气温变化，不可控的施工误差等因素。非正常的因素主要包括人为因素及意外情况的发生。施工过程中人为错误发生概率大，只有通过加强管理来尽量减少其发生的次数。施工中人为错误的影响体现在以下几个方面:
（1 ）可控的施工误差，可控误差主要体现在定位尺寸错误、钢筋缺少、钢筋位置颠倒、钢(箍)筋直径用错等，总起来说就是“缺少”和“放错”，其发生的原因是现场质量管理没有严格把关。
（2 ）施工操作错误，主要体现在没有按照正规的施工工艺进行施工，从而留下质量隐患。如混凝土的振捣不良而导致混凝土的密实度问题。
（3 ）材料控制不严，一些不合格的材料被使用。
（4 ）不正确的处理措施，表现在管理者的决策错误上。意外情况一般发生概率很小，但一旦发生将会带来灾难性后果，例如地震和地质情况。对于意外情况的应对，当前较常用的方法是采用工程保险或工程担保来规避意外事件带来的风险。同时，对于施工过程中人为错误的影响，也相继出现了一些险种来保障各参与方的利益。
2. 自然灾害与人为因素的影响
在设计过程中，有时考虑得并不多，混凝土结构的施工技术有时会因为其施工物品的质量不过关或者由于其质量太低劣，从而引起其转换层没有达到预期所设计的标准，并且转换层的质量在建好后还有可能受热气、风雨、雪、冻融、地震、疲劳、以及人为因素等外来作用，许多高层建筑过早出现各种各样的缺陷和病害，甚至尚未建成时，就出现严重的工程缺陷，或者刚投入使用，就不得不进行维修。引起混凝土病害是一个复杂的问题， 不考虑洪水、地震、撞击等自然灾害因素外，还有钢筋锈蚀、冻融破坏、碱骨料反应、氯离子侵蚀等受到影响。
3. 设计质量严重不足
根据国外一项统计，在民用建筑中，由于设计原因所发生的各种质量事故，所占比重高达 4 0 . 1 % ，居于各种原因之首。我国曾对建筑行业 5 1 4 项工程事故的原因进行统计分析，发现因设计原因造成的工程事故占 4 0 % 。更为重要的是，设计阶段失误所造成的质量问题，常常是施工阶段难以弥补的，甚至有可能会带来全局性或整体性的影响，从而影响到整个工程项目目标的实现。
4. 转换层大梁设计方面存在的问题
转换结构层具有与一般结构层相比结构重量大、结构层刚度大、几何尺寸超大、受力复杂等特点。这样的尺寸和重量意味着转换结构组成了建筑物的主要构件。它们的设计是否合理、安全、经济对整个结构的安全性、结构造价、施工费用等有着重要影响。但一些结构设计人员在实际进行转换层设计时显得无从下手，没有可操作、可遵循的设计思路、设计原则来进行结构设计。造成这种现象的主要原因是当前转换层设计没有相关的可遵循的设计准则，设计人员难以进行结构选型、截面确定、计算模型确定、计算方法确定，计算结果应用以及配筋方法的实施等一系列结构设计步骤。这种现状与我国当前高层建筑的迅猛发展是不相适应的。另一方面，现有的转换层设计方法，主要是针对形式简单、受力相对简单的转换梁，对于受力复杂的转换梁还没有深入研究。即便是对于形式简单的转换梁，其受力性能也没有完全清楚，而往往是互相混淆，设计概念不明确，设计原则不准确。对于转换梁的配筋方法也限于用普通梁的配筋方法加以套用，造成转换梁截面超大、配筋偏多。
二、转换层结构的概括
随着高层建筑的发展，建筑物的功能不再单一，如公寓、旅馆、办公楼等均在建筑物下部设置商店、银行、公共大厅、会议中心、停车场等需要较大跨度的公共空间。建筑物功能的改变要求建筑结构形式的改变，而上、下结构形式的变化，就需要一个转换结构，以完成上部结构力传递至下部结构的要求。
1. 从结构角度看，转换层结构的功能主要有：上、下层结构形式的转换，上、下层结构轴网的转换，上、下层结构形式和结构轴网同时转换。
2. 转换层结构的几种主要形式：梁式转换层结构，板式转换层，箱形转换结构，析架转换结构。
3. 梁式转换层
现代高层建筑由于使用功能要求大空间，往往需要采用转换层结构。梁式转换层结构是目前高层建筑中实现垂直转换最常用的结构形式，其传力途径采用墙( 柱卜争转换梁 - 柱(墙)的形式，具有传力简单、明确的优点，便于计算、分析，且造价较节省。从 70 年代中期，国内开始尝试使用梁式转换层，到现在短短的几十年时间内，梁式转换层的工程应用发展很快。从国内外 1 0 5 栋高层建筑采用的转换层的统计结果来看，采用梁式转换层的高层建筑有 8 1 栋，约占 7 7 % 。但是由于梁式转换层结构形式的多样性，作为主要受力构件的转换梁表现出的受力特征也各不相同。实际工程中梁式转换层的结构形式多种多样，从跨度上，可分为单跨、双跨及多跨；从上部墙体形式上，可分为满跨和不满跨、开洞和不开洞和开窗洞；从棍凝土结构梁式转换层施工技术及其可靠性的研究转换梁功能上，可分为托墙和托柱；从转换梁形式上，可以分为加腋与不加腋；从转换梁结构采用材料上，又可分为钢筋混凝土、预应力混凝土和钢骨混凝土、钢结构等。
三、可靠性的定义
在工业界，可靠性被定义为：产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性工程则是为了达到系统可靠性要求而进行的有关设计、试验和生产等一系列工作的总和，它与系统整个寿命周期内的全部可靠性活动有关。“产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的”这一句话包含了可靠性的全部内涵。如果说高层建筑是产品，那么基层、梁式转换层、面层就可以认为是组成高层建筑结构的基本元件。基本元件的可靠度是相对于理想状态而言的，其可靠性是产品的内在特性。如果高层建筑的设计使用寿命为 1 0 0 年，并且在使用年限内必须具有满足行车要求和抵抗外界环境损坏的能力，那么其梁式转换层不急要达到设计要求，且在设计考虑的运营和环境条件下使用寿命也能够达到要求，则可以认为该建筑具有完全可靠性，其可靠度为 1 0 0 % 。如果梁式转换层在承受了设计累计只是设计的 8 5 % 时。就已经发生了超出容许的破坏或者变形，则认为该建筑的可靠性则是大大的降低，因此在设计过程中要严格的把关，并牢牢的把握施工过程的技术。
四、加强梁式转换层可靠性提出的一些建议
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201004/14307.htm
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