超高層建筑鋼混結(jié)構(gòu)節(jié)點綜合應(yīng)用技術(shù)

孫為，謝志濤，李堂

（中國建筑第八工程局有限公司，上海 200120）

1 工程概況

某工程項目包括1 棟129.95 m 高的塔樓、3 棟99.95 m高的辦公塔樓，原有工業(yè)廠房改建為21.65 m 高的工藝會展中心，分別為1#、2#、3#、4#、5#樓，共有5 個綜合體，連接1#、2#樓的是高99.9 m（下凈高85 m）的空中連廊。

1）1#樓地上結(jié)構(gòu)為30 層的核心筒-鋼框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為129.95 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.25 m。核心筒鋼結(jié)構(gòu)主要由1~4 層中15 根H 型鋼勁性柱組成。外框鋼結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)混凝土箱型鋼柱以及H 型鋼梁組成，箱型柱合計20 根。

2）2#、3#、4#樓地上結(jié)構(gòu)為22 層的核心筒-鋼框架結(jié)構(gòu)，建筑高度為99.95 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為4.25 m。核心筒鋼結(jié)構(gòu)主要由1~4 層中15 根H 型鋼勁性柱組成。外框鋼結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)混凝土箱型鋼柱及H 型鋼梁組成，箱型柱合計18 根。

2 33 種結(jié)構(gòu)的特點

2.1 核心筒勁性柱結(jié)構(gòu)

核心筒勁性柱是以型鋼柱（軋制型鋼或焊接型鋼）周圍配置鋼筋并澆筑混凝土的埋入式組合構(gòu)件形成的結(jié)構(gòu)體系。由于它兼有鋼結(jié)構(gòu)的延性和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性，具有承載能力高、整體剛度好、節(jié)省維護(hù)費用等優(yōu)點，特別適用于高烈度地震區(qū)的工業(yè)和民用建筑及高層建筑，使建筑物既有較大的可利用空間，又有很強的抗震性能。而由于核心筒勁性柱充分發(fā)揮了鋼與混凝土兩種材料的特點，具有截面尺寸小、自重輕、延性好以及優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)等特點，在高層或超高層建筑中采用勁性柱,可以大大減小柱的截面尺寸，顯著改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。而從建造施工方面分析，其主要問題有：

1）型鋼柱吊裝完成后，會對外包鋼筋綁扎安裝及混凝土澆筑帶來很大的不便，特別是在澆筑混凝土?xí)r，操作工人在實際操作中往往是從型鋼柱的單側(cè)澆筑混凝土，較易導(dǎo)致型鋼柱另外兩側(cè)或三側(cè)混凝土分層離析；另一方面，埋入式型鋼柱的栓釘和箍筋較多，振動棒插入較難，容易造成混凝土骨料不密實。對于此類問題，需要調(diào)整混凝土配合比技術(shù)參數(shù)，使混凝土強度滿足規(guī)范及設(shè)計要求，但由于混凝土和易性差，強度不均勻，還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體承載力降低。

2）核心筒中的型鋼與混凝土屬于兩種不同材料，在溫度應(yīng)力作用下其收縮變形有較大的差異。正是由于兩種材料收縮能力不同，導(dǎo)致型鋼與混凝土之間容易形成因收縮造成的細(xì)小裂縫。在超聲波檢測過程中表現(xiàn)出波幅衰減較大的現(xiàn)象，工程質(zhì)量不易控制。

3）勁性柱施工一般需要在鋼結(jié)構(gòu)安裝校正完畢后進(jìn)行，致使施工周期增加。

2.2 混凝土鋼箱柱

混凝土鋼箱柱是指在鋼箱柱中填充混凝土而形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，且鋼柱及其核心混凝土能共同承受外荷載作用，按截面形式不同，可分為圓鋼管柱混凝土，方形、箱形鋼柱混凝土和多邊形鋼柱混凝土等。混凝土鋼箱柱結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具體表現(xiàn)為以下幾個方面。

2.2.1 承載力高且延性好抗震性能優(yōu)越

鋼箱柱混凝土柱中，鋼箱柱對其內(nèi)部混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高了混凝土的抗壓強度。鋼箱柱內(nèi)部的混凝土又可以有效防止鋼箱柱發(fā)生局部屈服。研究表明，鋼箱柱混凝土柱的承載力高于相應(yīng)的鋼箱柱承載力和混凝土柱承載力之和。鋼箱柱和混凝土之間的相互作用使鋼箱柱內(nèi)部混凝土的破壞由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，?gòu)件的延性明顯增強，耗能能力大大提高，具有優(yōu)越的抗震性能。

鋼箱柱混凝土構(gòu)件比鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能強。在一些建筑中，純鋼柱需要采用厚度較大的鋼板以確保局部穩(wěn)定性，但仍會在發(fā)生塑性彎曲后喪失結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，鋼箱柱混凝土柱的抗震性能也優(yōu)于純鋼柱。

2.2.2 施工方便，工期短

鋼箱柱混凝土結(jié)構(gòu)施工時，鋼箱柱可以作為框架骨架承擔(dān)施工階段的施工荷載和結(jié)構(gòu)重量，施工不受混凝土養(yǎng)護(hù)時間的影響；由于鋼箱柱混凝土內(nèi)部沒有鋼筋，便于混凝土澆筑和搗實；鋼箱柱混凝土結(jié)構(gòu)施工時，不需要模板，既節(jié)省了支模、拆模的材料和人工費用，也節(jié)省了施工時間。

2.2.3 結(jié)構(gòu)耐火、防火性能及耐腐蝕性能顯著提高

由于鋼箱柱內(nèi)填有混凝土，具有較強的耐火能力，可減慢鋼柱的破壞速度，并且一旦鋼柱屈服，混凝土可以承受大部分荷載，防止結(jié)構(gòu)倒塌。

鋼箱柱中澆筑混凝土使鋼箱柱的外露面積減少，從而使結(jié)構(gòu)受外界氣體腐蝕的面積減少，延長了鋼箱柱的自然使用壽命，并且大幅度降低了鋼箱柱抗腐和防腐所需費用。而從建造施工方面分析，其主要問題有：

1）鋼箱柱施工完成后，其施工質(zhì)量很難采用超聲波進(jìn)行檢測，國內(nèi)同類工程都存在著同樣的問題。原因是混凝土收縮后，會在鋼箱柱內(nèi)壁與混凝土之間產(chǎn)生微裂縫，影響檢測結(jié)果。

2）為保證管內(nèi)混凝土施工質(zhì)量，采用非常規(guī)混凝土材料，需采集大量混凝土配合比施工方案試驗數(shù)據(jù)，同時還需進(jìn)行破壞性試驗，具體分析是使用自密實混凝土（主要是增加其流動性）、高拋混凝土（增加混凝土稠度，防止離析）還是普通混凝土。

3）鋼箱柱需要在廠家加工制作而成，隨著建筑物高度的增加，鋼箱柱的壁厚會越來越厚，而且不易彎曲成型，因此，鋼箱柱一般用于高度≤360 m 的超高層建筑中。

4）鋼箱柱外包鋼材直接暴露在外部環(huán)境中，其防腐防火要求比較高，投入大。

2.3 鋼混結(jié)構(gòu)連接節(jié)點

2.3.1 鋼混結(jié)構(gòu)的節(jié)點

一般包含以下幾種結(jié)構(gòu)：

1）箱型柱：外包鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)為素混凝土或者鋼筋混凝土，外形常為箱形、圓形；

2）勁性柱：內(nèi)側(cè)為工字鋼、H 型鋼等，外包鋼筋混凝土；3）鋼筋混凝土梁：采用鋼筋和混凝土梁作為主要的水平受力結(jié)構(gòu)與柱子連接；

4）鋼梁：采用鋼梁與柱子連接；

5）勁性梁：內(nèi)側(cè)為H 型鋼或者工字鋼，外包鋼筋混凝土作為水平受力構(gòu)件與柱子連接。

6）核心筒框架：采用由勁性柱和混凝土剪力墻、樓板組成的中央結(jié)構(gòu)體系。

2.3.2 結(jié)構(gòu)節(jié)點組合

在常見的施工中，一般對以上結(jié)構(gòu)節(jié)點做如下組合：箱型柱+ 鋼筋混凝土梁；箱型柱+ 鋼梁；箱型柱+ 勁性梁；箱型柱+鋼梁;勁性柱+鋼筋混凝土梁；勁性柱+鋼梁；核心筒混凝土剪力墻化學(xué)植筋+外框樓板鋼筋。

2.3.3 鋼混結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點構(gòu)造及施工應(yīng)注意的問題

1）節(jié)點構(gòu)造不應(yīng)太復(fù)雜。節(jié)點設(shè)計要盡可能通俗易懂，方便施工人員進(jìn)行現(xiàn)場定位和安裝。此外，節(jié)點設(shè)計還應(yīng)考慮加工廠的工藝水平。

2）注意構(gòu)造細(xì)節(jié)。節(jié)點應(yīng)具有足夠的延性和韌性；節(jié)點設(shè)計必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。

3）梁柱節(jié)點不同，混凝土強度等級均按先柱后梁的次序澆搗，也會有少數(shù)樓層在梁柱節(jié)點處高低強度等級混凝土交界面附近出現(xiàn)微細(xì)裂縫。

4）鋼混節(jié)點處，鋼板與混凝土屬于兩種不同材料，在溫度應(yīng)力作用下其收縮變形有較大差異，正是由于兩種材料收縮能力不同，導(dǎo)致鋼板與混凝土之間容易形成因收縮造成的細(xì)小裂縫。

3 3 種結(jié)構(gòu)在同一超高層建筑中綜合應(yīng)用的關(guān)鍵點

本項目整體施工順序是核心筒勁性柱結(jié)構(gòu)→外混凝土鋼箱柱框架結(jié)構(gòu)→樓層板施工，按照核心筒鋼骨柱領(lǐng)先核心筒混凝土2~3 層，核心筒結(jié)構(gòu)領(lǐng)先筒外鋼箱柱5~6 層、鋼箱柱領(lǐng)先組合樓板混凝土4~5 層、外鋼框梁領(lǐng)先樓板混凝土2~3 層的節(jié)奏，外框鋼結(jié)構(gòu)安裝標(biāo)準(zhǔn)層按8 d/層的節(jié)奏進(jìn)行施工。各工序銜接期間穿插進(jìn)行核心筒爬架和塔吊的爬升作業(yè)，以滿足結(jié)構(gòu)施工需要。保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵點如下：

1）核心筒部分采用勁性柱混凝土結(jié)構(gòu)。核心筒先施工，外架采用爬架，同時配置兩層外架作業(yè)平臺[1]。核心筒結(jié)構(gòu)位于建筑體系中央，為其他結(jié)構(gòu)（外框結(jié)構(gòu)、電梯、爬架、塔吊）提供受力附著點，所以，核心筒的施工進(jìn)度決定了整個項目的施工進(jìn)度。

2）核心筒鋼骨柱應(yīng)提前在加工廠制作，保證施工現(xiàn)場預(yù)備二層的鋼骨柱。鋼骨柱安裝及校正工序安排成熟的施工班組，安裝前準(zhǔn)備好相應(yīng)的吊耳和爬梯，高效有序地完成安裝作業(yè)，并且保證鋼柱精度及焊縫質(zhì)量，杜絕二次校正和焊縫返修。

3）核心筒鋼骨柱鋼筋綁扎、模板支護(hù)、混凝土澆筑工作，應(yīng)和鋼骨柱吊裝形成搭接施工，確定鋼筋立筋穿孔焊，鋼筋水平筋橫板焊，簡化了施工工序，加快了施工進(jìn)度，加強了質(zhì)量控制。

4）核心筒外混凝土鋼箱柱框架結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)框架先行，內(nèi)灌混凝土隨后。鋼箱柱具有鋼筋承載功能，兼有縱向鋼筋和橫向箍筋作用，所以，柱內(nèi)不設(shè)置鋼筋，省了鋼筋下料和綁扎鋼筋等一系列工序，而且鋼箱柱本身就耐側(cè)壓及上壓，同時也節(jié)省了支模和拆模等工序[2]。鋼框架結(jié)構(gòu)足以形成豎向承載力，可以跟著核心筒持續(xù)施工；鋼框架構(gòu)件應(yīng)提前在加工廠制作，保證施工現(xiàn)場預(yù)備二層的鋼構(gòu)件。

5）核心筒外混凝土鋼箱柱框架結(jié)構(gòu)與核心筒剪力墻連接節(jié)點采用預(yù)埋鋼板，在核心筒剪力墻鋼筋綁扎過程中埋入鋼板，保證預(yù)埋鋼板的施工精度，保證鋼板錨筋長度和搭接質(zhì)量，也就保證了外鋼框架的施工質(zhì)量和整體承載力。

6）核心筒外混凝土鋼箱柱向上施工，必須保證下一層鋼梁已安裝完成，鋼梁要隨著鋼箱柱持續(xù)進(jìn)行，每2~4 根鋼柱之間都要形成框架結(jié)構(gòu)，方能進(jìn)行后續(xù)鋼柱安裝；每一層結(jié)構(gòu)形成整體框架，方能進(jìn)行上一層鋼箱柱的安裝；避免超裝、斜裝、不帶節(jié)點緊固板安裝。

7）核心筒外混凝土鋼箱柱在持續(xù)施工過程中，為了保證內(nèi)灌混凝土工序不影響鋼框架豎向施工節(jié)奏，所有管柱側(cè)面開設(shè)臨時灌注孔，臨時灌注孔孔徑通常約為20 cm，便于混凝土泵從側(cè)面自上而下灌注混凝土，灌注進(jìn)度不僅快，還能保證澆灌質(zhì)量。

8）核心筒外混凝土鋼箱柱梁節(jié)點安裝采用焊接和高強螺栓連接，為了保證施工連續(xù)性和保護(hù)高強螺栓不受破壞，節(jié)點安裝預(yù)先采用安裝螺栓，每個節(jié)點保證4~6 個安裝螺栓連接；柱梁安裝形成區(qū)域框架后，校正班組盡快完成校正，并逐步更換成高強螺栓，既加快了施工進(jìn)度，又提高了柱梁節(jié)點質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過對核心筒勁性柱和混凝土鋼箱柱以及鋼混連接節(jié)點三者綜合應(yīng)用技術(shù)的不斷完善、總結(jié)、提升，不僅能滿足工程本身進(jìn)度和質(zhì)量要求，節(jié)約大量施工成本，還能帶動當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展，社會效益明顯。另外，從勁性柱及混凝土鋼箱柱吊裝、校正，模板安拆及混凝土澆筑方面均采用了可靠的科學(xué)技術(shù)進(jìn)行管理，達(dá)到工期短、質(zhì)量好的目標(biāo)，有利于施工安全，解決了傳統(tǒng)施工方法中難以解決的問題，大大減輕了勞動強度，勞動效率顯著提高,經(jīng)濟效益十分優(yōu)厚。