史 陽(yáng)吳超洋李 穎劉 偉林 政

1. 中建三局第三建設(shè)工程有限責(zé)任公司 上海 200333；2. 浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院 浙江 杭州 310000

1 設(shè)計(jì)方案比選

1.1常規(guī)外框方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

常規(guī)外框結(jié)構(gòu)樓板采用110 mm厚鋼筋桁架樓承板，內(nèi)側(cè)承重鋼梁型號(hào)為H500 mm×150 mm×8 mm×16 mm，外圈鋼柱之間的連接鋼梁型號(hào)為H800 mm×300 mm×16 mm×40 mm，柱子采用外包鋼管混凝土柱。在超高層建筑中，這種結(jié)構(gòu)體系使用普遍，外框柱子施工無(wú)需綁扎鋼筋和支模板，且立面上不設(shè)置斜撐，對(duì)加快外框施工進(jìn)度十分有利；但考慮到結(jié)構(gòu)受力及抗震要求，外框需要設(shè)置更多的柱子，使得外框整體質(zhì)量偏重，造價(jià)偏高，且外框柱需要采用自密實(shí)混凝土，在建筑上更多的柱子會(huì)影響窗口空間，施工難度上鋼管柱梁節(jié)點(diǎn)環(huán)板會(huì)增加鋼用量和現(xiàn)場(chǎng)焊接量，現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量控制要求高。

1.2巨柱帶斜撐外框方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

本結(jié)構(gòu)體系的周邊框架由每邊各2根帶箱形型鋼的鋼筋混凝土組合柱（SRC柱），以及單向的鋼斜撐組成，在立面上形成豎向桁架，以抵抗側(cè)向力。每邊2根巨柱避開(kāi)角部布置，使得角部窗口空間完全打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)建筑要求的無(wú)柱窗口。同時(shí)，周邊帶斜撐的框架給塔樓提供了相當(dāng)大的側(cè)向剛度，承擔(dān)了很大部分的側(cè)向力，這使得核心筒可以做得很小，墻很薄。另外，斜撐對(duì)于豎向力也有很好的傳遞作用。巨柱之間小柱子上的重力大部分都可以通過(guò)斜撐傳遞到較大的SRC柱上，因此這些小柱子的截面都可以很小，任何一個(gè)小柱子，或者某根支撐的破壞，均不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌，結(jié)構(gòu)冗余度很好。在外圍部分，除了有斜撐之外，A、B塔樓利用避難層空間設(shè)置了2道環(huán)桁架，避難層樓板也進(jìn)行了加強(qiáng)，環(huán)桁架與加強(qiáng)的避難層樓板有效地將核心筒與周邊框架聯(lián)系起來(lái)共同抗側(cè)。以上多道抗側(cè)力體系，組成了多道抗震防線，即使在罕遇地震情況下，結(jié)構(gòu)仍有足夠的抗側(cè)能力。

該方案缺點(diǎn)較明顯，底部斜撐相交樓層的樓板應(yīng)力稍大，樓板鋼筋用量稍大；巨柱施工增加鋼筋與支模工序，需考慮鋼筋穿型鋼、鋼梁穿模板，巨柱與斜撐相交位置支模難度大。

2 項(xiàng)目工程概況

杭州智慧之門(mén)項(xiàng)目位于杭州市濱江新區(qū)，周邊有地鐵二號(hào)線及鐵路穿過(guò)。項(xiàng)目建筑面積37.2萬(wàn) m2，包括超高層商務(wù)辦公用房、公寓式酒店、商業(yè)裙房。建筑群中最高建筑為2棟272.26 m超高層塔樓A樓及B樓。

A、B塔樓采用帶斜撐的巨型框架-筒體結(jié)構(gòu)，周邊的帶斜撐組合框架和核心筒一起抵抗側(cè)力。A、B塔樓均設(shè)置2道環(huán)桁架。周邊帶斜撐框架由鋼斜撐、型鋼混凝土巨柱及環(huán)桁架組成，核心筒采用混凝土結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 A、B塔樓立面結(jié)構(gòu)模型

3 塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

本結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的PKPM系列軟件，版本號(hào)為2010年。采用多高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件SATWE（墻元模型），分析軟件為CSI的ETABS 9.7.4。

3.1斜撐與環(huán)桁架作用分析

塔樓周邊框架設(shè)置了斜撐，12/13層、38/39層之間設(shè)置了環(huán)桁架。這些一起與巨柱和核心筒構(gòu)成了塔樓的主要抗側(cè)力構(gòu)件。分析結(jié)果表明，巨柱、斜撐和桁架組成的抗側(cè)力體系承擔(dān)了超過(guò)10%的剪力以及超過(guò)25%的彎矩。

3.2SRC柱子承載力驗(yàn)算

在多遇地震荷載組合值作用下進(jìn)行了抗彎框架型鋼混凝土柱軸壓比驗(yàn)算。本結(jié)構(gòu)內(nèi)A塔框架柱最大軸壓比為典型層0.75，加強(qiáng)層0.65，B塔框架柱最大軸壓比為典型層0.61，加強(qiáng)層0.56，均小于規(guī)范限值。對(duì)于主要的SRC柱，采用X-Tract軟件進(jìn)行承載力校核。型鋼配鋼率特一級(jí)按照6%控制，一級(jí)和二級(jí)按照4%控制，配筋率不小于0.8%。

3.3巨柱內(nèi)型鋼偏置分析

由于建筑師對(duì)于斜撐位置、柱定位以及室內(nèi)效果的要求，巨柱內(nèi)的型鋼沒(méi)有完全放置在巨柱形心，偏置在巨柱內(nèi)?？紤]由于型鋼偏心擱置，而豎向重力均由型鋼豎向均勻地傳至混凝土偏置的型鋼中，軸力會(huì)在每層產(chǎn)生相應(yīng)的水平力，這些水平力在每層會(huì)相互抵消，并且由于層高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于型鋼與巨柱的偏心，所以在每層產(chǎn)生的水平力很小，與風(fēng)荷載以及地震荷載產(chǎn)生的水平力相比，該力可以忽略。

3.4桁架驗(yàn)算

環(huán)桁架是塔樓重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將其性能目標(biāo)確定為中震彈性、大震不屈服。根據(jù)荷載基本組合，得到各種工況下的組合內(nèi)力，并且考慮軸力、彎矩、剪力調(diào)整系數(shù)以及抗震承載力調(diào)整系數(shù)，得到組合后的內(nèi)力設(shè)計(jì)值。在中震情況下，由于部分構(gòu)件將開(kāi)裂，因此我們將結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.04，并不再對(duì)周期進(jìn)行折減。計(jì)算表明，環(huán)桁架構(gòu)件均由風(fēng)荷載組合控制設(shè)計(jì)。對(duì)于大震不屈服，有意義的分析為彈塑性時(shí)程分析?？紤]到部分構(gòu)件將進(jìn)入塑性階段，因此將結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.05，結(jié)構(gòu)周期不進(jìn)行折減，將得到的內(nèi)力進(jìn)行不屈服驗(yàn)算，結(jié)果表明，目前的環(huán)帶桁架能滿足中震彈性、大震不屈服的設(shè)計(jì)要求。

3.5斜撐驗(yàn)算

塔樓的斜撐與巨柱組成了豎向桁架，提供了很大的側(cè)向剛度，承擔(dān)了很大的側(cè)向力，同時(shí)由于中部有1根周邊柱落到斜撐上，斜撐會(huì)將周邊柱上的重力傳至巨柱。此外，周邊柱的重力還通過(guò)環(huán)桁架傳至巨柱，因此，豎向力的傳遞具有較高的冗余度。為了保證結(jié)構(gòu)的重力在地震和風(fēng)載等情況下不出現(xiàn)問(wèn)題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將其性能目標(biāo)確定為小震彈性、中震不屈服。

3.6 結(jié)論

本工程設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類別，安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)整體以及重要構(gòu)件全面融入了抗震性能化設(shè)計(jì)。對(duì)于外部框架結(jié)構(gòu)巨柱和環(huán)桁架均采用中震彈性、大震不屈服設(shè)計(jì)，斜撐以及其他上部重要抗側(cè)力構(gòu)件滿足中震不屈服設(shè)計(jì)。 由于采用了冗余度高、傳力途徑多的結(jié)構(gòu)體系，塔樓在罕遇地震下的性能完全可以保證不倒塌，并且可以確保塔樓在偶然因素下局部構(gòu)件（上部邊框柱或者支撐）的破壞不會(huì)引起大范圍的倒塌。主要的抗側(cè)力構(gòu)件以及關(guān)鍵部位和節(jié)點(diǎn)均采用鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土等延性很高的構(gòu)件，保證了結(jié)構(gòu)整體延性。而動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的整體性能優(yōu)于不倒塌的要求。同時(shí)，各方面的分析結(jié)果表明塔樓各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合國(guó)家規(guī)范要求。因此可以認(rèn)為，本工程能滿足豎向荷載、地震、風(fēng)荷載作用下的受力要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 結(jié)構(gòu)施工難點(diǎn)分析

4.1K形構(gòu)件吊裝及焊接

1）K形節(jié)點(diǎn)質(zhì)量大，與外框勁性柱以及樓面鋼梁相連的對(duì)接口數(shù)量多，斜撐作為塔樓結(jié)構(gòu)受力體系的重要組成部分，精度控制尤其重要，同時(shí)需保證外立面的整體美觀。如何控制K形節(jié)點(diǎn)的安裝精度是K形節(jié)點(diǎn)吊裝的難點(diǎn)。

2）K形節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，其最大板厚105 mm，材質(zhì)為Q420GJC，厚板焊接約束力強(qiáng)，材質(zhì)強(qiáng)度高，施焊作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，工藝復(fù)雜。如何控制焊接變形、消除焊接殘余應(yīng)力、防止層狀撕裂是K形節(jié)點(diǎn)焊接的難點(diǎn)。

4.2斜撐構(gòu)件與巨柱模板碰撞

與K形斜撐連接的巨柱最大尺寸為2 400 mm×2 400 mm，巨柱采用C60高強(qiáng)混凝土，施工過(guò)程中容易產(chǎn)生大量的水化熱，加上混凝土自重對(duì)側(cè)模形成強(qiáng)大的壓力，一般的常規(guī)模板難以保證澆筑成形質(zhì)量。經(jīng)過(guò)方案比選及市場(chǎng)調(diào)研，最終決定采用鋁合金模板輔以特制桁架背楞保證模板體系具有足夠的剛度及承載力。但由于斜撐的不規(guī)則形狀且與巨柱不垂直，導(dǎo)致斜撐與巨柱鋁模交接處存在大量的異形模板，現(xiàn)場(chǎng)加固難以實(shí)施。

4.3K形節(jié)點(diǎn)處巨柱鋼筋碰撞

巨型柱作為主要支撐體系，具備截面尺寸大、強(qiáng)度要求高等設(shè)計(jì)特點(diǎn)，必然導(dǎo)致巨柱鋼筋大量采用高強(qiáng)鋼筋，設(shè)計(jì)最大鋼筋直徑為36 mm，且鋼筋排布密集，斜撐構(gòu)件與鋼筋交叉碰撞極大地增加鋼筋安裝施工難度，既要保證斜撐構(gòu)件具有可靠的支撐性能，又要保證鋼筋安裝符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

5 關(guān)鍵部位技術(shù)研究與實(shí)施

5.1 引進(jìn)BIM技術(shù)解決復(fù)雜節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋安裝問(wèn)題

采用Tekla Structures 19.0進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，利用其所見(jiàn)即所得的三維建模及碰撞校核優(yōu)勢(shì)，提高效率及準(zhǔn)確性。深化設(shè)計(jì)前，多方探討超厚板的焊接合理性、焊接接頭的正確設(shè)置、道路運(yùn)輸條件的限制、現(xiàn)場(chǎng)吊裝設(shè)備的起重性能等問(wèn)題并及時(shí)解決，同時(shí)對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，確保受力節(jié)點(diǎn)滿足設(shè)計(jì)要求（圖2）。

圖2 復(fù)雜節(jié)點(diǎn)處深化設(shè)計(jì)

由于施工安排原因，在本層桁架樓承板及鋼構(gòu)件安裝完成后再進(jìn)行土建鋼筋、模板安裝，不可避免地導(dǎo)致鋼梁范圍內(nèi)鋼筋與鋼結(jié)構(gòu)穿孔問(wèn)題，利用BIM技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)階段布置穿筋孔，避免現(xiàn)場(chǎng)后開(kāi)孔影響鋼結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能；鋼梁范圍外由于巨柱最大尺寸為2 400 mm×2 400 mm，現(xiàn)場(chǎng)需制作超大箍筋，由于外框鋼筋作業(yè)面滯后外框鋼結(jié)構(gòu)3層以上，導(dǎo)致巨柱外側(cè)大箍筋無(wú)法按照正常結(jié)構(gòu)從上往下套，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，采用2段開(kāi)口箍對(duì)角焊接的方式有效解決該問(wèn)題[1]。

縱向鋼筋與箍筋與斜撐沖突，在深化設(shè)計(jì)階段在征得設(shè)計(jì)單位同意的情況下，采用在鋼斜撐上增加連接板，將斷開(kāi)的鋼筋與斜撐焊接的方式解決鋼筋與鋼斜撐斷開(kāi)的問(wèn)題，保證巨柱鋼筋安裝質(zhì)量（圖3）。

圖3 鋼筋安裝優(yōu)化措施

5.2K形構(gòu)件吊裝方案的選擇

5.2.1 K形節(jié)點(diǎn)分段

因K形節(jié)點(diǎn)處板厚大，質(zhì)量重，現(xiàn)場(chǎng)布置的4臺(tái)TCR6055動(dòng)臂式塔吊，28 m（考慮卸車(chē)半徑）處額定起重量為21.5 t，而K形節(jié)點(diǎn)整體質(zhì)量為29 t，故將K形節(jié)點(diǎn)一分為二，以滿足塔吊吊裝要求。

5.2.2 K形節(jié)點(diǎn)吊裝精度控制

吊裝前使用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行受力分析，根據(jù)分析得到的構(gòu)件變形情況，在起吊前預(yù)調(diào)整構(gòu)件就位姿態(tài)。吊裝就位后使用連接板配合高強(qiáng)螺栓將K形節(jié)點(diǎn)臨時(shí)固定于下層鋼柱與斜撐上，此時(shí)高強(qiáng)螺栓不得完全擰緊，待使用倒鏈將K形節(jié)點(diǎn)微調(diào)至設(shè)計(jì)位置后，擰緊高強(qiáng)螺栓（圖4）。

圖4 ANSYS復(fù)雜節(jié)點(diǎn)有限元受力分析

5.2.3 K形節(jié)點(diǎn)焊接控制

1）焊接順序。應(yīng)力較大、焊縫分布較集中的區(qū)域先焊完，再焊應(yīng)力較小的區(qū)域；對(duì)于同一區(qū)域內(nèi)的，厚板焊接先于薄板；焊接應(yīng)力向自由端釋放，杜絕多個(gè)方向的應(yīng)力傳導(dǎo)至同一點(diǎn)的情況。

2）焊接變形控制。根據(jù)制造工藝要求，預(yù)留焊接收縮余量，預(yù)置焊接反變形；采用較小的坡口尺寸以減小熱輸入；焊接每一構(gòu)件的變形，保證裝配誤差小于公差表的要求；使用工裝夾具等剛性固定措施控制焊后變形；采用熱量分散、對(duì)稱分布的方式施焊；采用多層多道焊代替單道焊；采用雙面對(duì)稱坡口，并在多層多道焊時(shí)采用與構(gòu)件中軸對(duì)稱的焊接順序。

3）厚板層狀撕裂控制。焊接前，對(duì)母材焊道中心線兩側(cè)各2倍板厚加30 mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行超聲波探傷檢查。母材中不得有裂紋、夾層及分層等缺陷；嚴(yán)格控制焊接順序，盡可能減少垂直于板面方向的約束；根據(jù)母材的碳當(dāng)量和焊接裂紋敏感性系數(shù)值選擇正確的預(yù)熱溫度和后熱處理；采用低氫型焊條施焊，必要時(shí)可采用超低氫型焊條，在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下，采用屈服強(qiáng)度較低的焊條。

5.3K形節(jié)點(diǎn)處異形巨柱模板安裝

本工程標(biāo)準(zhǔn)層高為4.2 m，巨柱截面尺寸由2 400 mm×2 400 mm變截面縮小到1 300 mm×1 300 mm，采用鋁模加固，外面從底到頂設(shè)置9道桁架背楞。由于塔樓巨柱K形節(jié)點(diǎn)主要由亞字形斜撐與外框鋼柱交叉組成，隨樓層的增加，截面逐漸變小。在K形節(jié)點(diǎn)位置，由于斜撐與巨柱內(nèi)雙H型鋼連接，導(dǎo)致鋁模無(wú)法安裝，通過(guò)與鋁模廠家協(xié)商，在斜撐周邊150～200 mm范圍內(nèi)均安裝木模板，斷開(kāi)處背楞增加對(duì)拉螺桿加固，同時(shí)斜撐自帶連接板，通過(guò)將鋼背楞與連接板焊接，解決異形模板安裝問(wèn)題（圖5）。

圖5 K形節(jié)點(diǎn)處異形模板安裝處理

6 結(jié)語(yǔ)

從超高層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，在滿足建筑美學(xué)功能的前提下，通過(guò)分析各個(gè)構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)受力，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，既能滿足建筑需求又能保證結(jié)構(gòu)安全。同時(shí)由于其特殊的結(jié)構(gòu)帶來(lái)一系列施工難題，需要尋找非常規(guī)的施工方案與措施，在300 m超高層領(lǐng)域補(bǔ)充了一些施工經(jīng)驗(yàn)，具有一定的參考價(jià)值。