呂堅鋒，徐 麟

（廣州容柏生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所 廣州 510170）

0 引言

框架-核心筒結(jié)構(gòu)是超高層建筑中最常見的結(jié)構(gòu)體系之一［1］，當(dāng)外框采用鋼筋混凝土?xí)r通常具有較好的經(jīng)濟(jì)性，但由于結(jié)構(gòu)自重較大，構(gòu)件尺寸也往往較大。偏心核心筒結(jié)構(gòu)的核心筒偏置于一側(cè)，另外一側(cè)的外框柱承擔(dān)了絕大部分樓面豎向荷載，框架柱截面進(jìn)一步加大且結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯［2］。外框柱截面過大，在一定程度上會對建筑室內(nèi)空間的品質(zhì)造成不利影響，設(shè)計時需要在經(jīng)濟(jì)性和建筑品質(zhì)兩者之間做好平衡［3］。高強混凝土和高強鋼具有較高的抗壓強度，同等情況下可以節(jié)省材料用量，并減小構(gòu)件尺寸，是控制超高層外框柱截面尺寸和成本的有效方式［4］。本文以實際工程為例，重點介紹超高層鋼筋混凝土偏筒結(jié)構(gòu)設(shè)計思路及C80混凝土在工程中的實際應(yīng)用。

1 建筑概況

廣州市增城區(qū)某綜合發(fā)展項目擬新建建筑物包括2 棟辦公（酒店）及2 棟住宅，其中辦公樓底部設(shè)置商業(yè)及共享辦公（4 層）。項目占地面積約3.52 萬m2，地上建筑面積約25.75萬m2，地下建筑面積約12.0萬m2，設(shè)置4層地下室。

本文研究對象為C1 棟辦公塔樓（見圖1 右側(cè)塔樓），C1 塔樓地上48 層，屋面高度為221.2 m，主要功能為辦公（層高4.5 m），典型平面如圖2 所示；1～4 層為裙房（層高4.5～7.1 m），裙房高度為21.1 m。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Effect

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面Fig.2 Layout of Standard Floor （mm）

2 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)

本工程設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，抗震設(shè)防分類裙房以上塔樓為丙類（裙房為乙類），結(jié)構(gòu)安全等級裙房以上塔樓為二級（裙房為一級），地基基礎(chǔ)等級為甲級，抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期0.35 s。50 年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓為W0=0.50 kPa，地面粗糙度C 類。設(shè)計風(fēng)荷載取值采用風(fēng)洞實驗與規(guī)范風(fēng)荷載兩者較大值。

3 結(jié)構(gòu)選型及布置

3.1 結(jié)構(gòu)體系

結(jié)合建筑功能、立面造型、抗震（風(fēng)）要求、施工周期以及造價等因素，塔樓采用鋼筋混凝土框架-核心筒（偏筒）結(jié)構(gòu)體系，無加強層。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及難點

⑴結(jié)構(gòu)高寬比7.4 較大，需合理控制結(jié)構(gòu)剛度及抗傾覆性能；

⑵核心筒偏置，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，重力荷載下天然存在水平位移；

⑶框架柱存在局部外凸和內(nèi)收，需采用合理方式過渡；

⑷結(jié)構(gòu)自重較大，外框柱承擔(dān)了絕大部分樓面豎向荷載，柱截面過大。

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)對措施

⑴針對高寬比較大的問題：采用鋼筋混凝土外框，提高整體剛度，避免設(shè)置加強層，簡化結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本；使外框柱與核心筒剪力墻盡量對齊，提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)效率。塔樓在風(fēng)荷載下最大層間位移角1/589，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》要求［5］。

⑵針對核心筒偏置引起的扭轉(zhuǎn)過大問題，參考同類型項目經(jīng)驗［6-7］：區(qū)分不同位置剪力墻厚度，中部墻體較厚，北側(cè)墻體較薄；結(jié)合北側(cè)建筑平面凹口，盡量避免在北側(cè)設(shè)置過多長墻；適當(dāng)增加外圍邊框梁截面以提高塔樓抗扭能力，并將外圍框架梁抗震性能目標(biāo)提高至抗剪、抗彎不屈服。最終塔樓最大扭轉(zhuǎn)位移比1.3出現(xiàn)在裙房樓層，在合理范圍。

⑶對豎向荷載作用下核心筒與外框的豎向沉降差及水平變形進(jìn)行專項分析［2］（見圖3）：恒載下各樓層水平變形值由下到上逐漸增大，在約2/3 高度處達(dá)到最大值51 mm；活載下水平變形值由下到上逐漸增大，在頂部達(dá)到最大值53 mm；恒載及活載作用下最大水平變形81 mm；最大層間位移絕對值5.3 mm，最大層間位移角絕對值為1/851，該層間位移角包含了下部結(jié)構(gòu)彎曲變形引起的轉(zhuǎn)角，結(jié)構(gòu)實際有害層間位移角較?。唤Y(jié)構(gòu)施工及設(shè)備和幕墻安裝應(yīng)考慮上述豎向荷載作用下的水平變形產(chǎn)生的不利影響，確保結(jié)構(gòu)施工完成后的垂直度滿足要求，電梯等設(shè)備和幕墻的安裝需預(yù)留足夠變形空間，避免影響正常使用。

圖3 豎向荷載下水平變形及層間位移角曲線Fig.3 Horizontal Deformation and Story Drift Ratio Curve under Vertical Load

⑷針對局部框架柱外凸（南側(cè)局部外擴(kuò)1.5 m）和內(nèi)收（中區(qū)東側(cè)內(nèi)收0.9 m），采用兩層斜柱過渡，控制斜率不超過1∶6，并在斜柱轉(zhuǎn)折樓層相連框架梁內(nèi)設(shè)置型鋼構(gòu)造加強，性能目標(biāo)提高至中震抗剪彈性、抗彎不屈服。

⑸針對外框柱截面過大的問題，在中低區(qū)外框柱采用C80 高強混凝土并內(nèi)置Q420GJ 高強鋼，從而控制外框柱截面在合理范圍（詳見表1方案1）。

表1 典型外框柱截面方案對比Tab.1 Scheme Comparison of Typical Column Section

4 外框柱材料對比選型

4.1 C80高強混凝土對比選型

高強混凝土高強鋼具有較高的抗壓強度，在外框柱為軸壓比控制時，同等情況下可以節(jié)省材料用量，并減小構(gòu)件尺寸，是控制超高層外框柱截面尺寸和成本的有效方式［8］。

典型外框柱截面方案對比如表1 所示，方案1 在31層及以下采用C80高強混凝土，其余樓層為C60，最大柱截面1 400×2 000，型鋼含鋼率6.0%～4.2%，型鋼范圍B5～9 層；方案2 全樓采用C60 混凝土，優(yōu)先控制柱截面與方案1 相同，最大柱截面1 400×2 000，型鋼含鋼率7.5%～4.2%，型鋼范圍B5～30 層；方案3 全樓采用C60 混凝土，但優(yōu)先減少型鋼用量，最大柱截面1 400×2 300，型鋼含鋼率6.0%～4.0%，型鋼范圍B5～9層。

外框柱經(jīng)濟(jì)性對比如表2 所示，方案2 柱截面與方案1 相同，但型鋼含鋼率及型鋼樓層范圍均有明顯增加，總型鋼用量增加了約1 117 t，外框柱材料總成本增加了約998 萬元；方案3 與方案1 相比，型鋼含鋼率及型鋼樓層范圍基本相同，但柱截面最大需增加約300 mm，中低區(qū)柱截面均有不同程度增加，總混凝土用量增加了約778 m3，外框柱材料總成本增加了約137萬元。

表2 外框柱成本對比Tab.2 Cost Comparison of Column

綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和建筑品質(zhì)（柱截面尺寸），項目最終采用了方案1，即31 及以下樓層外框柱采用C80高強混凝土。

4.2 高強型鋼對比選型

塔樓外框柱均為軸壓比控制，柱內(nèi)需設(shè)置型鋼以控制柱截面尺寸，并提高外框柱采用C80 高強混凝土后的抗震延性。

塔樓型鋼采用不同強度鋼材的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比結(jié)果如表3 所示，鋼材強度越高，經(jīng)濟(jì)性越好，采用Q420GJ比Q345可節(jié)省約96萬元。

表3 外框柱采用不同強度鋼材成本對比Tab.3 Cost Comparison of Column on Different Steel Class

在鋼材供貨周期基本相同的情況下，最終塔樓外框柱型鋼采用Q420GJ鋼材。

4.3 型鋼柱節(jié)點構(gòu)造

塔樓外框柱設(shè)置型鋼后需考慮框架梁縱筋錨固做法，本項目典型梁柱節(jié)點為1 根徑向框架梁及2 根邊框梁同時與外框柱相交節(jié)點。

若采用普通“十字形”型鋼做法，如圖4?所示，邊框梁縱筋基本可正常拉通或伸入柱內(nèi)錨固，但是徑向框梁縱筋大部分與型鋼翼緣沖突，錨固長度不足。此時可在型鋼翼緣外側(cè)增加搭接鋼板，梁縱筋與搭接鋼板焊接連接，或采用套筒焊接與型鋼翼緣上。兩種鋼筋錨固做法均較常見，但構(gòu)造復(fù)雜，施工麻煩，現(xiàn)場焊接質(zhì)量也不易保證。

圖4 型鋼柱梁柱節(jié)點大樣Fig.4 Detail of Joint of SRC Column （mm）

因外框柱為軸壓比控制，等面積改變型鋼截面形狀基本不影響外框柱承載力及軸壓比。設(shè)計將型鋼形狀從“十字形”改為“酒杯形”，如圖4?所示，直接規(guī)避了框梁縱筋與型鋼翼緣沖突的問題，從而簡化施工并提高節(jié)點可靠性。為避免“酒杯形”型鋼開口處在運輸及安裝階段變形過大，在開口處增設(shè)構(gòu)造綴條（厚10 mm，寬100 mm，間距2 000 mm）進(jìn)行構(gòu)造加強，如圖5?所示。

圖5 試驗構(gòu)件設(shè)計配筋及型鋼截面Fig.5 Design Reinforcement and Section of Test Member （mm）

5 C80混凝土工藝試驗及現(xiàn)場施工

5.1 C80混凝土工藝試驗

5.1.1 試驗?zāi)康?/p>

（1）驗證用于本項目的C80 混凝土配合比是否可以達(dá)到設(shè)計的混凝土強度等級。

（2）驗證C80 混凝土型鋼柱實際澆筑的密實度和平整度是否滿足工程需求。

（3）驗證C80 混凝土高空泵送是否可行，并確定可泵送的極限高度。

（4）發(fā)現(xiàn)C80 混凝土澆筑時其它可能存在的施工問題，為正式澆筑提供經(jīng)驗。

5.1.2 試驗內(nèi)容

選取本項目塔樓兩個代表性外框柱（KZ1：1 700 mm×2 000 mm，KZ2：1 000 mm×1 600 mm）作為本次工藝試驗的研究對象，試驗構(gòu)件高度按標(biāo)準(zhǔn)層層高4.5 m 取值，構(gòu)件內(nèi)型鋼按實際工程截面及節(jié)點構(gòu)造加工，柱內(nèi)鋼筋按實配，按1∶1的比例進(jìn)行現(xiàn)場澆筑試驗，試驗構(gòu)件數(shù)兩種外框柱各1個，共2個。

試驗構(gòu)件的設(shè)計配筋及型鋼截面如圖5 所示，柱內(nèi)型鋼實際設(shè)計為Q420GJC，本試驗側(cè)重混凝土工藝，試驗構(gòu)件型鋼采用Q235 替換，但鋼板厚度與設(shè)計相同。試驗構(gòu)件立面及典型截面如圖6 所示，構(gòu)件4 個角部埋設(shè)聲測管，用于測量內(nèi)部混凝土澆筑密實度；中心處布置一系列測溫點，沿高度1個/m。

圖6 試驗柱構(gòu)造Fig.6 Test Column Structure （mm）

5.1.3 試驗方案

按上述構(gòu)件尺寸要求，制作1∶1型鋼，現(xiàn)場安裝完畢后綁扎鋼筋，并預(yù)留聲測管及測溫點。完成支模后現(xiàn)場澆筑C80 混凝土，澆筑3 d 后拆除模板。混凝土澆筑管長度按100 m（相當(dāng)于約22 層）澆筑高度預(yù)留，并在地面平放后設(shè)多個彎折以模擬高空泵送的阻力。檢測內(nèi)容如下：

⑴溫度：混凝土澆筑后7 d 內(nèi)監(jiān)測內(nèi)部混凝土溫度發(fā)展過程。

⑵平整度及密實度：拆模后查看混凝土外觀平整度及密實度。

⑶聲測管：通過聲測檢查內(nèi)部混凝土澆筑質(zhì)量。

⑷混凝土強度：通過回彈、抽芯等方式對實際澆筑的C80混凝土強度進(jìn)行檢測。

⑸切割：所有試驗內(nèi)容完成后對構(gòu)件進(jìn)行切割，查看內(nèi)部澆筑情況。

考慮到配合比的不確定性，兩個試驗柱采用了兩種不同混凝土配合比方案，分別由兩家不同的攪拌站提供C80商品混凝土。試驗柱KZ1（1 700 mm×2 000 mm，內(nèi)含鋼骨）采用配合比方案1，試驗柱KZ2（1 000 mm×1 600 mm，內(nèi)無鋼骨）采用配合比方案2，兩個試件共用一個柱墩，柱墩混凝土采用配合比2。

5.1.4 試驗結(jié)果

⑴試驗過程概述

第一天23 時左右混凝土澆筑完成，如圖7?所示，之后每天進(jìn)行溫度測量；第三天16 時左右拆模并觀察表面裂縫情況，拆模之后馬上裹土工布保溫保濕養(yǎng)護(hù)，并覆蓋塑料薄膜包裹；養(yǎng)護(hù)7 d 后，外表養(yǎng)護(hù)覆蓋拆除，如圖7?所示；14 d 后進(jìn)行繩鋸切割，查看內(nèi)部混凝土澆筑密實度及裂縫發(fā)展情況。

圖7 工藝試驗Fig.7 Process Testing

⑵澆筑質(zhì)量及裂縫

試驗柱KZ1（配合比1）澆筑混凝土?xí)r混凝土和易性較好，泵送順暢；拆模后柱子表面出現(xiàn)不同程度的細(xì)小裂縫，縱橫向均有，其中北面、東面較為嚴(yán)重，西面、南面裂縫較少；繩鋸切割后，內(nèi)切面密實，基本無貫通裂縫、氣泡出現(xiàn)，如圖8?所示。

圖8 繩鋸切割斷面Fig.8 Cut Section of the Columns

試驗柱KZ2（配合比2）澆筑混凝土?xí)r混凝土和易性相對較差，現(xiàn)場一度出現(xiàn)混凝土堵管的情況；拆模后柱子表面外觀情況較好，無裂縫出現(xiàn)；繩鋸切割后，內(nèi)切面無貫通裂縫出現(xiàn)，但有較多氣泡出現(xiàn)，如圖8?所示。

⑶試件中心溫度

試驗柱中心溫度隨時間的發(fā)展過程如圖9 所示，混凝土澆筑后中心溫度逐漸升高，在約70 h后達(dá)到峰值（KZ1最高75 ℃，KZ2最高82 ℃），之后逐漸降低，總體升溫及降溫規(guī)律與大體積混凝土升降溫規(guī)律接近［9］；越靠近柱頂及柱底處相對溫度越低，柱高中部溫度最高（散熱條件最差）。

圖9 試件中心溫度發(fā)展曲線Fig.9 Central Temperature Development Curve of Test Columns

⑷混凝土強度

對兩個試驗柱及柱墩同條件養(yǎng)護(hù)及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土試塊分別進(jìn)行檢測，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表4 混凝土試塊強度Tab.4 Strength of Concrete Test Block （MPa）

對于配合比1（KZ1），第三天混凝土強度達(dá)到平均約91.1～96.1 MPa，第七天混凝土強度達(dá)到平均約102.8～110.7 MPa，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下強度略低于同條件養(yǎng)護(hù)結(jié)果。

對于配合比2（KZ2 及柱墩），第二天混凝土強度達(dá)到平均約86.7～98.4 MPa，第九天混凝土強度達(dá)到平均約94.4～102.3 MPa，第十五天混凝土強度達(dá)到平均約108.0～111.3 MPa，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下強度略低于同條件養(yǎng)護(hù)結(jié)果。

在同等條件下，配合比1 的試塊強度要高于配合比2，且其數(shù)據(jù)離散性更小。但兩種配合比均可滿足C80的設(shè)計強度要求。

5.2 C80混凝土現(xiàn)場施工

根據(jù)C80 混凝土現(xiàn)場工藝試驗的結(jié)果，綜合考慮混凝土和易性、實測強度及離散性、裂縫發(fā)展情況等，實際項目中采用配合比1 實施，并進(jìn)一步改進(jìn)施工及養(yǎng)護(hù)方案。

最終塔樓外框柱31層及以下樓層全部采用C80，成為廣州東首個實現(xiàn)130 m超高大體量C80混凝土泵送施工工藝的項目，C80混凝土累計澆筑體積達(dá)到1.1萬m3。

5.3 C130混凝土現(xiàn)場施工

在C80 混凝土成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，為了探索更高強度混凝土在實體工程中的應(yīng)用，本項目相關(guān)多家單位聯(lián)合成立了C130超高強混凝土研發(fā)應(yīng)用小組，從設(shè)計配合比、生產(chǎn)運輸、現(xiàn)場超高泵送、混凝土強度標(biāo)定等方面對C130超高強混凝土進(jìn)行了研究及實際應(yīng)用。

最終成功將C130 超高強高性能機(jī)制砂混凝土泵送和應(yīng)用于C1 塔樓220 m 標(biāo)高的多根鋼筋混凝土框架柱，抗壓強度達(dá)149.5 MPa，為C80 以上超高強混凝土的研發(fā)和應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗［10］。

6 結(jié)論

⑴針對鋼筋混凝土框架-核心筒（偏筒）結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置合理的剪力墻布置及厚度，適當(dāng)加強外圈邊框梁，有效控制偏筒引起的塔樓扭轉(zhuǎn)偏大問題。

⑵對豎向荷載作用下核心筒與外框的豎向沉降差及水平變形進(jìn)行專項分析，為結(jié)構(gòu)施工找平及結(jié)構(gòu)變形對設(shè)備、幕墻安裝的影響提供參考。

⑶針對外框柱截面過大的問題，在中低區(qū)外框柱采用C80 高強混凝土并內(nèi)置Q420GJ 高強鋼，從而控制外框柱截面在合理范圍，在結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和建筑品質(zhì)兩者之間做好平衡。

⑷ 將外框柱型鋼截面從“十字形”改為“酒杯形”，有效解決了梁縱筋錨固與型鋼翼緣沖突的問題，為同類型項目提供了一種新的解決思路。

⑸開展了兩種配合比的C80 混凝土工藝試驗，驗證了C80 混凝土強度、澆筑密實度、平整度、養(yǎng)護(hù)方案、高空泵送性能等均可滿足工程實際操作要求，最終實現(xiàn)了130 m 超高大體量C80混凝土泵送施工工藝在實際項目的成功應(yīng)用，為同類型項目提供了很好的工程經(jīng)驗。

⑹在C80 混凝土成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對C130 超高強混凝土進(jìn)行了研究并成功應(yīng)用于實際項目220 m標(biāo)高的多根鋼筋混凝土框架柱，為C80 以上超高強混凝土的研發(fā)和應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗。