呂堅鋒，徐 麟

（廣州容柏生建筑結構設計事務所 廣州 510170）

0 引言

框架-核心筒結構是超高層建筑中最常見的結構體系之一［1］，當外框采用鋼筋混凝土時通常具有較好的經(jīng)濟性，但由于結構自重較大，構件尺寸也往往較大。偏心核心筒結構的核心筒偏置于一側，另外一側的外框柱承擔了絕大部分樓面豎向荷載，框架柱截面進一步加大且結構扭轉效應明顯［2］。外框柱截面過大，在一定程度上會對建筑室內(nèi)空間的品質造成不利影響，設計時需要在經(jīng)濟性和建筑品質兩者之間做好平衡［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構設計思路及C80混凝土在工程中的實際應用。

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，設置4層地下室。

本文研究對象為C1 棟辦公塔樓（見圖1 右側塔樓），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 標準層建筑平面Fig.2 Layout of Standard Floor （mm）

2 結構主要設計參數(shù)

本工程設計基準期為50年，抗震設防分類裙房以上塔樓為丙類（裙房為乙類），結構安全等級裙房以上塔樓為二級（裙房為一級），地基基礎等級為甲級，抗震設防烈度為6 度，設計基本地震加速度為0.05g，設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)期基本風壓為W0=0.50 kPa，地面粗糙度C 類。設計風荷載取值采用風洞實驗與規(guī)范風荷載兩者較大值。

3 結構選型及布置

3.1 結構體系

結合建筑功能、立面造型、抗震（風）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）結構體系，無加強層。

3.2 結構設計特點及難點

⑴結構高寬比7.4 較大，需合理控制結構剛度及抗傾覆性能；

⑵核心筒偏置，結構扭轉效應明顯，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結構自重較大，外框柱承擔了絕大部分樓面豎向荷載，柱截面過大。

3.3 結構應對措施

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，避免設置加強層，簡化結構，節(jié)約成本；使外框柱與核心筒剪力墻盡量對齊，提高結構抗側效率。塔樓在風荷載下最大層間位移角1/589，滿足《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程：JGJ 3—2010》要求［5］。

⑵針對核心筒偏置引起的扭轉過大問題，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，北側墻體較薄；結合北側建筑平面凹口，盡量避免在北側設置過多長墻；適當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提高至抗剪、抗彎不屈服。最終塔樓最大扭轉位移比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構彎曲變形引起的轉角，結構實際有害層間位移角較??；結構施工及設備和幕墻安裝應考慮上述豎向荷載作用下的水平變形產(chǎn)生的不利影響，確保結構施工完成后的垂直度滿足要求，電梯等設備和幕墻的安裝需預留足夠變形空間，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（南側局部外擴1.5 m）和內(nèi)收（中區(qū)東側內(nèi)收0.9 m），采用兩層斜柱過渡，控制斜率不超過1∶6，并在斜柱轉折樓層相連框架梁內(nèi)設置型鋼構造加強，性能目標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)濟性和建筑品質（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)濟性進行對比結果如表3 所示，鋼材強度越高，經(jīng)濟性越好，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)點構造

塔樓外框柱設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，但構造復雜，施工麻煩，現(xiàn)場焊接質量也不易保證。

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，在開口處增設構造綴條（厚10 mm，寬100 mm，間距2 000 mm）進行構造加強，如圖5?所示。

圖5 試驗構件設計配筋及型鋼截面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 試驗目的

（1）驗證用于本項目的C80 混凝土配合比是否可以達到設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，試驗構件高度按標準層層高4.5 m 取值，構件內(nèi)型鋼按實際工程截面及節(jié)點構造加工，柱內(nèi)鋼筋按實配，按1∶1的比例進行現(xiàn)場澆筑試驗，試驗構件數(shù)兩種外框柱各1個，共2個。

試驗構件的設計配筋及型鋼截面如圖5 所示，柱內(nèi)型鋼實際設計為Q420GJC，本試驗側重混凝土工藝，試驗構件型鋼采用Q235 替換，但鋼板厚度與設計相同。試驗構件立面及典型截面如圖6 所示，構件4 個角部埋設聲測管，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 試驗柱構造Fig.6 Test Column Structure （mm）

5.1.3 試驗方案

按上述構件尺寸要求，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?；炷翝仓荛L度按100 m（相當于約22 層）澆筑高度預留，并在地面平放后設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混凝土強度進行檢測。

⑸切割：所有試驗內(nèi)容完成后對構件進行切割，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，并覆蓋塑料薄膜包裹；養(yǎng)護7 d 后，外表養(yǎng)護覆蓋拆除，如圖7?所示；14 d 后進行繩鋸切割，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澆筑質量及裂縫

試驗柱KZ1（配合比1）澆筑混凝土時混凝土和易性較好，泵送順暢；拆模后柱子表面出現(xiàn)不同程度的細小裂縫，縱橫向均有，其中北面、東面較為嚴重，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）澆筑混凝土時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)護及標準養(yǎng)護的混凝土試塊分別進行檢測，結果匯總如表4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到平均約91.1～96.1 MPa，第七天混凝土強度達到平均約102.8～110.7 MPa，標準養(yǎng)護條件下強度略低于同條件養(yǎng)護結果。

對于配合比2（KZ2 及柱墩），第二天混凝土強度達到平均約86.7～98.4 MPa，第九天混凝土強度達到平均約94.4～102.3 MPa，第十五天混凝土強度達到平均約108.0～111.3 MPa，標準養(yǎng)護條件下強度略低于同條件養(yǎng)護結果。

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，并進一步改進施工及養(yǎng)護方案。

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到1.1萬m3。

5.3 C130混凝土現(xiàn)場施工

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

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

6 結論

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

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行專項分析，為結構施工找平及結構變形對設備、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，在結構經(jīng)濟性和建筑品質兩者之間做好平衡。

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 混凝土成功應用的基礎上，對C130 超高強混凝土進行了研究并成功應用于實際項目220 m標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)和應用積累了寶貴的經(jīng)驗。