超高层密肋空腔楼盖及型钢梁柱节点精细化设计与施工

林元庆 徐会业

(中国核电工程有限公司郑州分公司，郑州450052)

1 工程概况

郑州升龙广场位于郑东新区，是一个集商业、购物、餐饮、娱乐、休闲和办公的大型城市综合体。本文主要介绍其中的超高层写字楼，该结构主体高度144.3 m，地下3层，地上35层，结构顶设停机坪，其顶标高为154.0 m，地下3层为停车库，1～5层为商业，7层以上为办公，其中6层及22层为避难层，层高分别为4.1 m及4.3 m;地下 －3～ －1层层高分别为4.5 m、4.5 m 和5.5 m，地上层高:1 层5.5 m，2 ～3 层4.9 m，4 ～5 层4.5 m，7 层以上3.95 m;该结构建筑标准层平面图及效果图见图1、图2。

建筑结构的安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.15 g;建筑场地类别为Ⅲ类，100年重现期的基本风压值为 0.50kN/m2，地面粗糙度为C类。

2 结构体系

该塔楼采用框架-核心筒结构体系，其主要抗侧力体系由钢筋混凝土核心筒和外框架组成，结构楼盖采用双向密肋空腔楼盖，其楼盖外围为明框梁，内部由厚度为450 mm的双向密肋空腔楼板及暗梁组成，双向密肋空腔楼板厚度450 mm，上下层板厚60 mm，空腔厚度330mm(见图8);商业采用框架结构，与塔楼设缝分开;核心筒主要墙厚为:外围最大厚度为700 mm，沿高度在700 mm～400 mm之间变化，筒内墙厚为400 mm～300 mm;主要框架柱截面尺寸为:最大截面为1400×1400 mm(型钢柱)，型钢延伸高度为10层，沿高度截面尺寸在1400×1400 mm～900×900 mm变化;主要框架梁及暗梁尺寸:外框架梁 1000×700 mm(X向)，1000×700 mm(Y向)，暗梁1000×450 mm。

图2 建筑效果图

3 地基基础

本工程塔楼地基基础为桩筏基础，桩基采用钻(冲)孔灌注桩，桩径800 mm，有效桩长为33 m和39 m，桩端持力层为第13层粉质粘土;为了提高单桩承载力和控制桩底沉渣厚度，采用桩端后压浆技术，压浆后单桩承载力特征值不小于6 150 kN，典型筏板厚度为2 700 mm。

4 结构超限情况

本工程B塔结构主体高度144.3 m，超过规范A级高度高层建筑最大适用高度130 m的限值，但在B级高度高层建筑最大适用高度180 m的限值范围内[1];建筑标准层平面及剖面图见图1和图2;在平面规则性上，结构平面形状规则，不存在凹凸不规则及楼板局部不连续情况，在考虑偶然偏心规定的水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值在Y方向上最大为1.27，大于1.20的限值，属于扭转不规则结构;在竖向不规则性上，不存在侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续及楼层承载力突变情况，属于竖向规则结构;根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的规定，本工程属于高度超限的不规则结构，应进行超限高层专项审查。

5 抗震性能目标及措施

根据本工程的超限情况，为了提高结构的承载力和延性变形能力，设计时采取了抗震性能设计方法和比现行规范更为严格的抗震措施，同时考虑到经济性，该结构的抗震性能目标[2]细化后见表1。

为了实现上述所提出的结构抗震性能目标，本工程采取的主要抗震措施有:1)采用不少于两个不同的力学模型，并对其计算结果进行分析对比;2)对该结构进行弹性时程分析，对其结果进行分析比较，用以补充反应谱法的计算结果;3)根据抗震性能设计目标对结构构件进行中震下的计算分析;4)对该结构进行大震下动力弹塑性时程分析，以确保结构实现“大震不倒”的抗震设防目标;5)对核心筒剪力墙的边缘构件按筒体结构的要求进行加强，其底部加强部位以上轴压比大于0.30的剪力墙墙肢设置约束边缘构件;6)对连梁进行延性设计，通过设置交叉暗撑或钢筋，提高其抗剪承载力及延性;7)结构底部部分楼层框架柱采用型钢混凝土柱，以提高框架柱的承载力和延性;8)双向密肋空腔楼盖采用有限元分析方法，其上下层板及肋梁根据有限元分析结果进行设计。

表1 性能目标

6 结构分析

结构分析主要采用PMSAP和ETABS软件进行整体计算分析和比较，同时为了详细分析双向密肋空腔楼盖的受力特性以及在结构整体中的作用，在结构分析中还采用了MIDAS软件专门针对双向密肋空腔楼盖进行有限元分析，结构计算模型、软件及主要用途见表2，结构计算模型如图3所示。

图3 结构计算模型

表2 计算模型汇总

6.1 小震弹性分析主要结果

小震下PMSAP和ETABS计算的前六阶周期如表3所示，PMSAP计算的结构总质量为253 655 t，ETABS计算的结构总质量为254 600 t;两种软件计算的结构周期比分别为0.79和0.80，满足规范不大于0.85的要求，结构具有较好的抗扭刚度;结构的最大层间位移角及位移比如表4所示;结构各楼层的层间位移角均满足规范的限值要求，结构的最大位移比1.27，满足规范对结构扭转效应的控制要求;结构X向及Y向的刚重比分别为4.66和3.52，满足规范的要求，同时可以不考虑重力二阶效应的影响。根据规范的要求，对本工程进行了小震下的弹性时程分析，共选取了2组天然地震波和1组人工模拟地震波，其水平向对应的加速度峰值取55cm/s2，双向输入分析，每条地震波计算的基底剪力均大于反应谱法的65%，平均值大于反应谱法的80%，满足规范对地震波选用的要求;弹性时程分析结果表明:反应谱得到的楼层剪力在结构上部局部楼层略小于时程分析得到的楼层剪力平均值，反应谱法对高振型的影响考虑不够，在计算时对上部楼层的地震剪力适当放大，采用ETABS软件对该结构进行弹性时程分析的结果与PMSAP计算的结果类似;采用反应谱法计算的结果与时程分析法结果基本吻合，反应谱法能较好地反映该结构的地震响应。

表3 结构前六阶周期

表4 结构最大层间位移角及位移比

6.2 中震及大震分析主要结果

中震计算时的水平地震影响系数最大值取αmax中震=0.34，其计算结果与小震相比，底部加强部位部分核芯筒剪力墙配筋由中震控制，部分框架柱抗剪配筋由中震控制，其承载力能满足中震的性能目标要求。

结构大震动力弹塑性分析结果表明，主要抗侧力构件没有发生严重破坏，多数连梁屈服耗能，大部分框架梁参与塑性耗能，大震下，其筒体剪力墙满足抗剪弹性的目标要求，未出现剪切型损伤，少量角部混凝土受压出现裂缝，核芯筒大震下的应力及损伤见图4和图5，框架柱未出现剪切型损伤，结构最大层间弹塑性位移角满足规范的要求，能实现结构大震不倒的性能目标。

7 双向密肋空腔楼盖的特点、结构分析与设计

双向密肋空腔楼盖(楼盖1)是本工程分析与设计的重点与难点，也是建筑使用和销售亮点(为每个标准层核心筒外圈至外围框架梁之间提供约2 000 m2的无梁使用空间)，楼盖为顶板、密肋梁及底板组成的整体空间结构(见图6、7)，与同一结构体系普通钢筋混凝土梁板楼盖(楼盖2)及钢梁混凝土楼板楼盖(楼盖3)相比具有以下几个特点:1)楼盖1外围框架布置(包括柱距及梁格布置)更为随意，同时可避免出现因核心筒墙体与外围框架柱无法对齐而出现大量斜拉梁和连梁平面外搭梁情况，提供更大的结构净高;2)楼盖作为空间整体参与结构受力，为结构提供更为适中抗侧刚度，框架与核心筒间传力更为均匀、直接、有效，避免出现剪力墙面外承受巨大弯矩而对结构抗震不利情况。

图4 剪力墙混凝土受压的应变等级

图5 剪力墙钢筋的拉压应变等级

图6 双向密肋空腔楼盖有限元模型(M IDASGEN)

图7 双向密肋空腔楼板剖面示意图

针对楼盖1以上特点，在分析模型处理及计算分析软件选用上遵循以下几个原则:1)真实模拟空间箱体平面内外刚度，特别是对结构整体刚度贡献;2)真实模拟空间箱体与周边构件的连接关系，特别是与剪力墙的连接关系;3)真实模拟箱体由于与周边连接不同而造成结构刚度的区域变化;4)真实模拟空间箱体受力特征及变形特点。

结构分析采用有限元分析软件PMSAP、ETABS及MIDAS程序，对楼盖1的顶板、肋梁及底板在ETABS中采用等效抗弯刚度壳单元，在PMSAP中采用夹心板来模拟，MIDAS采用全壳单元空间模型(此模型能真实模拟密肋梁与上下层板形成的空间效应);在设计过程中进行了大量实验模型(包括楼盖1，2，3及密肋楼盖)的分析与研究，重点研究楼盖1在不同工况荷载作用下变形性状及楼盖应力分布。以下选取部分分析对比结果:模型1为框筒结构，梁采用杆系模型，模型2为框筒结构，箱体模型，梁用壳元，上下层板，楼板用壳元。模型见图8，恒载及地震下的弯矩比较结果见表5和表6。

图8 结构分析模型

表5 恒载下弯矩比较

续表

表6 Y向地震下弯矩比较

同时由分析可知:在竖向荷载作用下，楼盖应力分布在核心筒周边呈带状分布，在柱头区域呈岛状分布(见图9);在地震荷载下，应力在框架与核心筒间楼盖呈单向板梁拉压分布(见图11);楼盖在恒载作用变形云图(见图10);同时由于其楼盖的整体作用，有一大部分竖向荷载可直接通过楼盖面外刚度传给竖向构件，使得框架暗梁的内力大幅下降，见表5和表6(相对于普通楼盖2中梁，采用杆系模型);楼盖1不但承担竖向荷载而且承担一大部分水平荷载，在水平荷载作用下的上下层板呈现拉压弯复合受力状态。

图9 双向密肋空腔楼盖应力图(恒载)

图10 双向密肋空腔楼盖变形云图(恒载)

图11 双向密肋空腔楼盖应力图(Y向地震)

在对有限元软件计算结果进行正确分析基础上，可进行柱帽，核心筒周边实心板带布置及设计，确定肋梁及框架暗梁截面积配筋(见图12、13、14)。在楼盖设计中应注意处理好以下几个关键节点及其构造:1)柱帽范围内框架暗梁，肋梁及柱帽本身三者配筋分配原则及比例，一般情况可根据计算结果先进行框架暗梁配筋，再配置此区域肋梁钢筋，肋梁钢筋贯通柱帽区域，最后将此区域内剩余钢筋配置到柱帽除暗梁及肋梁外剩余区域;2)对肋梁由于其数量较多，可根据软件应力分析结果进行适当归并及分类，采用支座负筋加架立钢筋配筋方式，在满足计算结果基础上，尽量做到经济，但在架立筋选用时需考虑肋梁轴向拉力对配筋影响。

图12 双向密肋空腔楼盖结构布置图

图13 肋梁配筋示意图

图14 双向密肋空腔楼盖剖面图

8 组合结构梁柱节点精细化空间设计及施工控制

型钢与钢筋混凝土柱组合，组成劲性柱。由于钢材强度高，型钢在本结构中起到降低构件截面尺寸，提高分担大部分弯矩，轴力和剪力，提高结构抗侧刚度，同时型钢翼缘板起到连接钢筋混凝土梁内纵筋作用;所以一旦无法确保型钢混凝土浇筑及型钢施工质量，柱由于承载力不足，可能发生压塌及失稳破坏，梁由于锚固失效出现垮塌，可能会出现严重结构安全质量问题。

图15 梁柱节点区钢筋现场照片(常规设计)

由于型钢柱截面及配筋均很大，如本工程最大柱截面尺寸为1 400×1 400，梁柱钢筋直径大，节点区钢筋密集;同时由于柱内型钢存在，对梁筋穿插和摆布及梁筋锚固造成很大影响，同时也给柱箍筋安装就位造成困难，其梁柱节点施工难度犹在框支结构梁柱节点之上。从目前类似工程施工现场及设计图纸来看，设计院对型钢部分重要性及现场施工难度估计不足，图纸表达深度不够，此部分图纸无法指导现场施工，施工现场梁柱钢筋密集，节点连接构造非常混乱，钢筋间隙小(见图15)，混凝土浇筑及振捣困难，施工质量无法保证。

为保证型钢混凝土结构梁柱节点施工可靠性，结合梁柱节点受力及构造特点，本文创造性地提出梁柱节点精细化空间设计方法，此方法反映在图纸内容主要包括:1)型钢梁柱节点详图(包括梁柱钢筋定位及梁钢筋在柱内锚固及连接方式见图16、17);2)梁纵筋经节点空间精细化设计后所对应梁平法施工图;3)柱内型钢拼接图(含变截面)，柱内型钢翼缘板连接套筒定位图;4)与上述节点做法对应三维图(见图18、19)。此方法特点是对型钢柱和框架梁按照节点区内钢筋占位最小化原则进行钢筋空间三维摆布和穿插，然后对每根钢筋(包括梁柱纵筋及箍筋)进行平面和竖向(含钢筋空间弯曲锚固位置及角度)准确定位;合理调整梁每排纵筋根数和间距，明确每根纵筋在节点区内摆布位置和有效连接及锚固方式，在型钢梁柱节点区及框架梁顶面及底面预留足够施工空间(至少保证四个上下通透净距在100 mm以上振捣孔)，可以有效解决型钢梁柱节点区钢筋密集，混凝土无法浇注或浇注不密实施工难题，确保达到强节点，强锚固的抗震设计要求，此设计方法已经成功应用多个混合结构超高层中，取得良好效果。

图16 型钢节点详图

图17 梁柱钢筋连接及锚固图

图18 型钢节点三维图

9 结语

针对本工程为采用双向密肋空腔楼盖及型钢混凝土组合柱的超限高层结构，在设计中采用了抗震性能设计方法，经过弹性、弹塑性中震及大震计算和分析以及采取比规范更严格的抗震措施后，结构能达到预期的抗震性能设计目标和规范要求;同时充分发掘双向密肋空腔楼盖在结构受力、工程抗震及建筑使用上优点;结构分析采用仿真有限元软件，在进行大量试验模型分析比较基础上，确定楼盖结构布置原则、配筋及构造要求;对大型梁柱节点，梁柱是空间统一整体，设计与分析必须统筹考虑，不可分开，施工图表示深度须和现场施工难度相匹配，在本文中所采用的精细化空间设计方法，可以有效地解决型钢混凝土柱与钢筋混凝土梁节点处钢筋密集，混凝土无法浇注或浇注不密实等施工难题，确保设计与施工达到强节点，强锚固的抗震设计要求，其设计方法值得其它类似工程借鉴。

图19 梁纵筋在柱内连接及锚固三维图

[1]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[2]徐培福，等.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2005.