天和國際中心結(jié)構(gòu)設(shè)計

周含川，楊海生，張朝（重慶市設(shè)計院，重慶　400015）

天和國際中心結(jié)構(gòu)設(shè)計

周含川，楊海生，張朝
（重慶市設(shè)計院，重慶400015）

天和國際中心為結(jié)構(gòu)高度297m的超B級高度高層建筑，結(jié)構(gòu)體系為框架核心筒，框架柱采用鋼管疊合柱，框架及核心筒采用鋼筋混凝土。結(jié)合建筑特點通過分析對比優(yōu)選結(jié)構(gòu)方案。解決疊合柱與框架節(jié)點構(gòu)造、核心筒連開大洞、疊合柱與多向梁相交特殊節(jié)點等難題。采用高強材料，帶來了經(jīng)濟效益。

超高層設(shè)計；疊合柱柱節(jié)點；核心筒連開大洞；高強鋼筋運用

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2015.10.029

1　工程概況

天和國際中心為重慶觀音橋標(biāo)志性建筑，結(jié)構(gòu)高度297m，建筑面積17萬m2，塔樓58F/-8F，裙樓5F。裙房尺寸約為105m x64m，塔樓尺寸底部為45m x45m向上逐漸收進(jìn)為38m x38m。低區(qū)主要功能為商業(yè)，中區(qū)、高區(qū)為辦公、酒店。

主體結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架-核心筒。沿豎向劃分為三段：一段為負(fù)8層～7層；二段為8層～31層；三段為32層～屋面層。一段框架柱采用鋼管混凝土疊合柱，核心筒采用型鋼混凝土剪力墻；二段框架柱采用鋼管混凝土疊合柱，核心筒鋼筋混凝土；三段框架柱采用鋼筋混凝土柱，核心筒鋼筋混凝土。

結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期50年，安全等級二級，抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計地震分組一組，建筑場地類別II類，基本風(fēng)壓0.4kN/m2，地面粗糙度類別為C類。

圖1　建筑效果圖

2　主體結(jié)構(gòu)體系

通過方案比選，對比混合結(jié)構(gòu)體系和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)行伸臂桁架敏感性分析和腰桁架、帽桁架敏感性分析，最終確定主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架-核心筒體系，形成多重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，分別由鋼筋混凝土核心筒、外框架組成，共同承擔(dān)地震作用和風(fēng)荷載所產(chǎn)生的水平剪力及傾覆力矩［3］。典型層結(jié)構(gòu)平面布置詳圖2。

圖2　平面示意圖

2.1主要的抗震（風(fēng)）設(shè)計思想

2.1.1采用成熟體系，實施多道設(shè)防

結(jié)構(gòu)整體采用較為成熟且已被多項工程成功采用的雙重抗側(cè)的外框架+核心筒，滿足結(jié)構(gòu)抗震及抗風(fēng)設(shè)防要求。

2.1.2重點部位及構(gòu)件合理選型

外框柱采用單位面積強度較高的鋼管疊合柱，低區(qū)核心筒墻體為確保延性在重要部位設(shè)置鋼管或型鋼，加強鋼混凝土與鋼管疊合柱節(jié)點合理設(shè)計。

2.2鋼筋混凝土核心筒

鋼筋混凝土核心筒從基頂伸至屋面，核心筒在強震下的延性是結(jié)構(gòu)安全性的主要考慮目標(biāo)，為了改善鋼筋混凝土延

圖3　核心筒示意圖

2.3結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要尺寸及混凝土強度

墻柱混凝土采用C60～C35，塔樓外框柱1600mm x1600mm（鋼管Φ1200x30）～1000mm x1000mm。

核心筒墻厚外墻1200～400mm，內(nèi)墻600～300mm，混凝土采 用 C35，框 架 截 面 600mm x600mm、600mm x900mm、900mm x600mm、800mm x600mm等。

3　鋼管疊合框架柱與鋼筋混凝土柱關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

鋼管疊合柱做為外圍框架柱［1］，由于鋼管套箍作用，鋼管內(nèi)混凝土處于三向受壓，抗壓強度比普通鋼筋混凝土大幅提高，具有單位面積較高強度的特點。本工程柱截面1600mm x1600mm，鋼管Φ1200x30到 上 部逐 漸 收 進(jìn) 為1400mm x1400mm，鋼管Φ1000x20，套箍指標(biāo)1.03～1.53，豎向承載力為同等截面鋼混凝土柱的2.25～2.47倍，柱截面面積減小54%～59%，減小柱自重累計增大使用面積達(dá)750㎡，帶來較好的經(jīng)濟效益。

鋼管混凝土疊合柱除了具有鋼管混凝土的優(yōu)點外，鋼管外鋼筋混凝土進(jìn)一步提高了柱的強度與剛度。同時外圍鋼筋混凝土也提高了柱的防火性能，不用進(jìn)行防火涂抹。疊合柱具有截面小但強度高的特點。比較適合低烈度、低風(fēng)壓地區(qū)的超高層不需要增大柱截面以提高側(cè)向剛度的情況。

鋼管疊合柱外框柱與鋼筋混凝土節(jié)點是關(guān)鍵節(jié)點，框架梁內(nèi)縱向鋼筋在疊合柱內(nèi)的錨固方式及有效性是重點?？捎玫挠须p節(jié)點，筋穿疊合柱內(nèi)鋼管節(jié)點，柱內(nèi)鋼管設(shè)鋼筋套筒連接縱筋節(jié)點等，各具優(yōu)缺點［5］，須結(jié)合工程特點綜合考慮（見圖4）。

圖4　鋼管混凝土柱與框架梁節(jié)點

3.1雙梁節(jié)點

雙節(jié)點為了避免框架縱筋穿過疊合柱內(nèi)鋼管，一般設(shè)兩個同樣截面大小的框架對稱位于疊合柱鋼管外的鋼筋混凝土區(qū)域內(nèi)。其優(yōu)點是，鋼筋不用穿柱內(nèi)鋼管，施工簡便。缺點是，由于雙節(jié)點的存在，限制了柱內(nèi)鋼管的大小，無法充分發(fā)揮柱內(nèi)鋼管套箍作用及疊合柱高強度的優(yōu)勢；設(shè)置了雙節(jié)點，增大了的混凝土及構(gòu)造鋼筋用量，整體造價偏高（見圖4）。性，將核心筒角部沿全高設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，并在低區(qū)（從基礎(chǔ)向上約15層）核心筒外墻四角、內(nèi)墻與外墻交接處、外墻洞口附近墻肢內(nèi)埋設(shè)鋼管Φ500x20（或型鋼），進(jìn)一步提高墻體延性。低區(qū)采用高強混凝土，減小墻軸壓比，減小結(jié)構(gòu)自重。加入鋼管后，筒體軸壓比限值能提高約0.1。

核心筒布置在X向基本對稱，但根據(jù)建筑需要在Y向存在偏置，對墻體較多一側(cè)采取墻上局部開洞和相對減薄等措施相對削弱偏置墻體使得筒體剛度均勻，減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。經(jīng)多次調(diào)整基本消除了建筑偏置布置帶來的偏心。由于使用功能需要，筒體在Y向分別于32層和47層有一次向內(nèi)收進(jìn)，通過對貫通墻和收進(jìn)墻肢相對厚度的調(diào)整不斷試算，保證各區(qū)筒體墻肢平面布置均勻及對稱。核心筒平面剖面見圖3。

3.2鋼管焊接套筒節(jié)點

柱內(nèi)鋼管設(shè)鋼筋套筒連接梁縱筋節(jié)點是在疊合柱內(nèi)鋼管外壁上預(yù)先焊接鋼筋連接套筒，通過連接套筒連接框架縱筋。優(yōu)點是不限制柱內(nèi)鋼管的大小，提高鋼管內(nèi)約束混凝土的比例，充分發(fā)揮疊合柱豎向承載力且不用削弱鋼管。缺點是對套筒定位及鋼管安裝精度要求過高，超過了常規(guī)施工隊伍的精度水平，實踐工程中往往難以實現(xiàn)，使用較少（見圖4）。

3.3鋼筋穿鋼管節(jié)點

鋼筋穿鋼管節(jié)點是在疊合柱的鋼管上開設(shè)縱筋的穿筋孔，縱筋穿過鋼管上的穿筋孔錨入鋼管內(nèi)的核心混凝土中。優(yōu)點是不限制柱內(nèi)鋼管的大小，可最大程度提高鋼管內(nèi)約束混凝土的比例，充分發(fā)揮疊合柱豎向承載力高的優(yōu)勢，從而節(jié)約材料騰出更多使用空間；鋼筋直接穿入鋼管內(nèi)，傳力明確，節(jié)點性能較好。穿孔處通過補強環(huán)板的設(shè)置彌補了開洞對鋼管的削弱。缺點是以往工程施工反映鋼管開穿筋洞口時施工較麻煩。一種解決辦法是鋼管在工廠制作時預(yù)先鉆孔然后現(xiàn)場安裝，這對鋼管安裝的精度要求較高，鋼管安裝定位垂直度及轉(zhuǎn)角都對縱筋就位產(chǎn)生較大影響。另一種辦法是鋼管只在工廠焊接補強環(huán)板現(xiàn)場就位后現(xiàn)場開孔。現(xiàn)場開孔不得使用火焰切割，一則會造成鋼管溫度殘余應(yīng)力不利于發(fā)揮鋼管的最大作用，另外開孔精度不高?？墒褂么帕︺@現(xiàn)場定位并開孔，經(jīng)現(xiàn)場試驗，開孔尺寸較精準(zhǔn)，機械鉆孔也不產(chǎn)生高位殘余應(yīng)力，機具較小一兩個人便可操作。經(jīng)過比選，本工程采用此節(jié)點，順利解決鋼管穿筋問題。現(xiàn)場施工見圖5、圖6。

圖5　疊合柱鋼管開孔作業(yè)

圖6　疊合柱鋼筋混凝土梁穿筋

當(dāng)框架受力較大，縱向穿疊合柱鋼筋數(shù)量較多時，為減少鋼筋穿鋼管排數(shù)，縱筋采用豎向2根縱筋并筋，鋼管內(nèi)開長圓孔，既減少了鋼管內(nèi)開孔排數(shù)，也確保內(nèi)縱筋有效高度。筋錨固長度按并筋要求執(zhí)行。

當(dāng)斜向交匯于疊合柱時為避免在疊合柱鋼管內(nèi)多排開孔過分削弱鋼管以及過多減小梁縱筋有效高度，對斜交于柱的梁布置方式進(jìn)行優(yōu)化，使梁筋斜交位置避開梁柱節(jié)點區(qū)域，避免了多排縱筋穿疊合柱內(nèi)鋼管，簡化了施工（見圖7）。

圖7　梁柱節(jié)點設(shè)計優(yōu)化

框架縱筋采用高強鋼筋HRB500替代常規(guī)HRB400，同等承載力減少了鋼筋數(shù)量、排數(shù)，有利于框架穿疊合柱節(jié)點的施工。

結(jié)構(gòu)嵌固層設(shè)于負(fù)3層，為進(jìn)一步加強疊合柱內(nèi)鋼管的錨固，疊合柱柱腳錨固于大直徑嵌巖樁中，柱內(nèi)鋼管埋入基礎(chǔ)2m。柱腳大樣見圖8。

圖8　疊合柱柱腳錨固大樣

4　核心筒連大開洞的設(shè)計

核心筒外墻連為核心筒重要構(gòu)件，一般不宜開洞。但核心筒為設(shè)備專業(yè)重要的管道走廊，分布密集，全部從梁下走也將導(dǎo)致凈高不夠，嚴(yán)重影響使用功能須在凈跨3.9m、截面高度1.8m高的連梁上開1.5m寬0.6m高的大洞口。需要審慎的處理連上的開洞，仔細(xì)分析并合理加強，確保開洞連的性能。一般情況對開洞連可簡化為雙連處理，即取兩倍梁截面寬度，一倍開洞后剩余截面高度的一半高度輸入計算模型進(jìn)行等效。但由于本工程為超高層建筑，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度是超過層建筑的主要控制因素，而連是影響整體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較敏感構(gòu)件。為較準(zhǔn)確反映開洞連的實際剛度，對開洞連采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了細(xì)部分析，目的是找到等剛度的矩形非開洞連進(jìn)行模擬：模型采用實體單元建模，實體單元采用了用來模擬鋼筋混凝土的solid65單元。模型簡化如下：（1）墻體范圍取值：取標(biāo)準(zhǔn)層筒體北側(cè)整片外墻。（2）力學(xué)模型簡化：外墻采用底部固結(jié)，頂部用X向節(jié)點耦合，通過對比在X向施加單位位移所需要的節(jié)點力，得到該模型的側(cè)移剛度（見圖9）。

圖9　核心筒連大開洞設(shè)計模型簡化圖

通過試算，把開洞連等效為厚度一致高度為1000mm沒有洞口的普通連，墻體側(cè)向剛度相同。確保了開洞連在整體模型中能較準(zhǔn)確的進(jìn)行等效分析。

根據(jù)力學(xué)分析結(jié)合有限元細(xì)分模型分析結(jié)果對開洞連配筋進(jìn)行加強。參考彈塑性時程分析結(jié)果，在大震下等效連進(jìn)入塑性的程度較低，設(shè)計時可以主要參考彈性設(shè)計的結(jié)果然進(jìn)行配筋。根據(jù)概念設(shè)計通過提高箍筋配筋率、減小鋼筋間距、提高洞口附加縱筋配筋率等措施加強連延性（見圖10）。

圖10　核心筒外墻剪力墻連梁開洞等效模型分析及補強大樣

5　結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計

5.1伸臂桁架方案對比及優(yōu)化

框架-核心筒結(jié)構(gòu)加強層伸臂桁架設(shè)置及分析是超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容。伸臂桁架一方面可以較大提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，另一方面由于伸臂存在也導(dǎo)致了伸臂附近筒體和外框柱剛度和承載力的突變，形成相對薄弱部位。需要針對特定的建筑考察伸臂的具體效果。通過4個不同伸臂位置及數(shù)量模型（伸臂均設(shè)置于避難層），對不同伸臂桁架方案進(jìn)行了主要參數(shù)計算對比，見表2。

表1　耦合節(jié)點表

表2　伸臂桁架方案對比分析表

外框架柱距離核心筒跨距低區(qū)9m，相比較而言，屬于中等偏小的跨距，加之中高區(qū)逐漸內(nèi)收，到高區(qū)內(nèi)筒和外框架柱間跨度減小至僅7m左右。本身外框架與核心筒形成較強剛度。計算分析伸臂桁架對整體結(jié)構(gòu)剛度、位移、周期及穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)效果總體來說不顯著，若設(shè)置伸臂將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向剛度及承載力明顯突變，出現(xiàn)相對薄弱部位，設(shè)置伸臂桁架弊大于利。綜合各因素選擇了無伸臂桁架的結(jié)構(gòu)方案。

5.2加強層水平環(huán)桁架方案對比

水平環(huán)桁架可以協(xié)調(diào)外框相鄰柱的內(nèi)力差，輔助伸臂協(xié)調(diào)加強層變形，但是否需設(shè)置環(huán)桁架需根據(jù)對比分析結(jié)果確定［2］。

通過2個模型，對不同伸臂桁架方案進(jìn)行了對比，見圖11、表3。

表3　伸臂敏感性分析表

圖11　腰桁架對比分析

腰桁架對剛度貢獻(xiàn)不顯著，對外圍豎向構(gòu)件協(xié)調(diào)變形的貢獻(xiàn)也不顯著，僅對相鄰局部樓層有影響。由于腰桁架增大了加強層的剛度，加劇豎向剛度突變，在各指標(biāo)均滿足要且效果不是很明顯的情況下，腰桁架能不設(shè)盡量不設(shè)，故不設(shè)腰桁架。

5.3帽桁架試分析

設(shè)置在結(jié)構(gòu)頂部的帽桁架可以提高結(jié)構(gòu)整體性，協(xié)調(diào)內(nèi)外結(jié)構(gòu)的變形差，但對于本結(jié)構(gòu)是否需設(shè)計帽桁架需通過對比計算分析。

從表4可以看出，設(shè)置帽桁架對于結(jié)構(gòu)整體剛度的提高以及風(fēng)荷載下層間位移角的控制作用有限，對框架彎矩的影響也不是十分顯著。因此最終結(jié)構(gòu)選擇了無帽桁架的體系（見表4）。

表4　是否設(shè)帽桁架對比表

6　高強材料運用及經(jīng)濟性分析

由于超高層建筑特性，結(jié)構(gòu)自重占超高層總重量比重很大，本工程結(jié)構(gòu)自重占建筑總重量超過85%，采用高強材料，提高單位重量的強度，將更加有助于提高結(jié)構(gòu)性能、提供更多的使用空間。

混凝土最高強度采用高強混凝土C60，使用部位主要為底部墻、柱、疊合柱（根據(jù)規(guī)范使用超過C60強度混凝土軸壓比限值將打折，而且混凝土脆性更強，需要更多側(cè)向鋼筋確保延性。所以從經(jīng)濟性及結(jié)構(gòu)性能角度，并未使用更高強度的混凝土）。

鋼材采用Q345，使用部位主要為疊合柱內(nèi)鋼管、剪力墻內(nèi)鋼管及宴會廳大跨屋頂承重結(jié)構(gòu)。

梁柱縱向受力鋼筋采用HRB500。對比塔樓、裙房梁柱采用HRB500鋼筋與HRB400鋼筋用量結(jié)果見表5。

表5　高強鋼筋經(jīng)濟指標(biāo)對比表

使用HRB500將比使用HRB400節(jié)約588噸鋼材，材料節(jié)約比例13%?？紤]HRB500比HRB400單價高5%左右，鋼筋造價節(jié)約8%左右。

塔樓外框柱采用疊合柱，底部采用截面1600mm x1600mm，鋼管Φ1200x30，疊合柱承載能力等同2400mm x2400mm截面鋼筋混凝土柱，截面面積減小了54%，提供了更大的使用面積，同時減小了材料用量。

7　結(jié)論

天和國際中心已通過主體結(jié)構(gòu)驗收，即將投入使用，各分項評定、感官質(zhì)量均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求，其設(shè)計、施工中取得的經(jīng)驗可供其他類似工程參考。

［1］林立巖，李慶鋼.鋼管混凝土疊合柱的設(shè)計概念與技術(shù)經(jīng)濟分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008，38（3）：18-21.

［2］楊克家，梁興文，李波.帶加強層超高層結(jié)構(gòu)受力性能研究及設(shè)計建議［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2008，38（2）：111-115.

［3］徐培福，傅學(xué)怡.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［4］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.CECS 188：2005鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國計劃出版社，2005.

［5］錢佳茹，周棟，方曉丹.鋼管混凝土柱-RC環(huán)節(jié)點及其應(yīng)用［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2003，33（9）：60-62.

責(zé)任編輯：孫蘇

住建部：“十三五”將有中國建筑如“搭積木”般建造

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部副部長王寧在此間舉行的第十四屆中國住宅博覽會上說，我國正醞釀在國家層面研究出臺推進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的指導(dǎo)意見和"十三五"規(guī)劃。分析人士稱，這意味著未來五年我國住宅產(chǎn)業(yè)化或?qū)⒂瓉肀l(fā)式增長，將有更多中國建筑如"搭積木"般建成。

無論是用工廠流水線生產(chǎn)的墻體、樓板、樓梯、廚房和衛(wèi)生間等構(gòu)件和模塊現(xiàn)場拼裝的房子，還是無需空調(diào)暖氣自身會"呼吸調(diào)溫"的"被動屋"，各種新式住宅樣板亮相本屆住博會，展示出國內(nèi)住宅產(chǎn)業(yè)的新氣象。

這種"搭積木"般的蓋房模式，用專業(yè)術(shù)語來說就是住宅產(chǎn)業(yè)化。形象地說就是我們現(xiàn)在居住的住宅在未來的建造過程中就像生產(chǎn)汽車一樣，將住宅部品和構(gòu)件交由不同專業(yè)工廠進(jìn)行生產(chǎn)，然后運送到建筑工地進(jìn)行組裝搭建，就可以大大減少過去現(xiàn)場澆筑方式帶來的污染、噪音、浪費以及各種質(zhì)量問題，不僅可以提高建設(shè)效率，節(jié)省人力，更有利于全面提高建筑工程質(zhì)量和品質(zhì)，是未來建筑業(yè)發(fā)展的方向。王寧說，我國推進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化從1999年開始起步，“十二五”以來尤其是近兩年有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。截至2013年底，全國累計新開工的產(chǎn)業(yè)化建筑面積1200多萬m2，2014年新開工產(chǎn)業(yè)化建筑面積超過2000多萬m2，2015年計劃新開工面積有望超過3000萬m2，實現(xiàn)了每年增加千萬平方米的發(fā)展速度。

（摘自：新華網(wǎng)）

StructuralDesign OFTianhe International Center

Tianhe International Center，w ith the structural heightof 297m，is one over B lever heightof the code，with structural system of frame-tube，steel tube-reinforced concrete column and reinforced concrete beam and core tube.Combinedw ith architectural features，the structuralscheme isselected through analysisand comparison.Issuesofsteel tube-reinforced concrete column and beam jointstructure，core tube coupling beamsw ith large openingsand the special nodesof the steel tube-reinforced concrete column and multibeams intersectare tackled.The adoption of high strengthmaterials bringseconomic benefits

super high-rise building design；beam column joints of steel tube-reinforced concrete column；core tube coupling beamsw ith large openings；application of high strength steelbar

TU 528.2

A

1671-9107（2015）10-0029-06

2015-08-07

周含川（1977-），男，云南昭通人，研究生，高級工程師，主要從事高層結(jié)構(gòu)設(shè)計。