超高层塔楼外框K形斜撑巨柱结构施工关键技术

史 阳吴超洋李 颖刘 伟林 政

1. 中建三局第三建设工程有限责任公司 上海 200333；2. 浙江省建筑设计研究院 浙江 杭州 310000

1 设计方案比选

1.1常规外框方案优缺点分析

常规外框结构楼板采用110 mm厚钢筋桁架楼承板，内侧承重钢梁型号为H500 mm×150 mm×8 mm×16 mm，外圈钢柱之间的连接钢梁型号为H800 mm×300 mm×16 mm×40 mm，柱子采用外包钢管混凝土柱。在超高层建筑中，这种结构体系使用普遍，外框柱子施工无需绑扎钢筋和支模板，且立面上不设置斜撑，对加快外框施工进度十分有利；但考虑到结构受力及抗震要求，外框需要设置更多的柱子，使得外框整体质量偏重，造价偏高，且外框柱需要采用自密实混凝土，在建筑上更多的柱子会影响窗口空间，施工难度上钢管柱梁节点环板会增加钢用量和现场焊接量，现场焊接质量控制要求高。

1.2巨柱带斜撑外框方案优缺点分析

本结构体系的周边框架由每边各2根带箱形型钢的钢筋混凝土组合柱（SRC柱），以及单向的钢斜撑组成，在立面上形成竖向桁架，以抵抗侧向力。每边2根巨柱避开角部布置，使得角部窗口空间完全打开，实现建筑要求的无柱窗口。同时，周边带斜撑的框架给塔楼提供了相当大的侧向刚度，承担了很大部分的侧向力，这使得核心筒可以做得很小，墙很薄。另外，斜撑对于竖向力也有很好的传递作用。巨柱之间小柱子上的重力大部分都可以通过斜撑传递到较大的SRC柱上，因此这些小柱子的截面都可以很小，任何一个小柱子，或者某根支撑的破坏，均不会导致结构倒塌，结构冗余度很好。在外围部分，除了有斜撑之外，A、B塔楼利用避难层空间设置了2道环桁架，避难层楼板也进行了加强，环桁架与加强的避难层楼板有效地将核心筒与周边框架联系起来共同抗侧。以上多道抗侧力体系，组成了多道抗震防线，即使在罕遇地震情况下，结构仍有足够的抗侧能力。

该方案缺点较明显，底部斜撑相交楼层的楼板应力稍大，楼板钢筋用量稍大；巨柱施工增加钢筋与支模工序，需考虑钢筋穿型钢、钢梁穿模板，巨柱与斜撑相交位置支模难度大。

2 项目工程概况

杭州智慧之门项目位于杭州市滨江新区，周边有地铁二号线及铁路穿过。项目建筑面积37.2万 m2，包括超高层商务办公用房、公寓式酒店、商业裙房。建筑群中最高建筑为2栋272.26 m超高层塔楼A楼及B楼。

A、B塔楼采用带斜撑的巨型框架-筒体结构，周边的带斜撑组合框架和核心筒一起抵抗侧力。A、B塔楼均设置2道环桁架。周边带斜撑框架由钢斜撑、型钢混凝土巨柱及环桁架组成，核心筒采用混凝土结构（图1）。

图1 A、B塔楼立面结构模型

3 塔楼结构设计分析

本结构计算与分析采用中国建筑科学研究院编制的PKPM系列软件，版本号为2010年。采用多高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE（墙元模型），分析软件为CSI的ETABS 9.7.4。

3.1斜撑与环桁架作用分析

塔楼周边框架设置了斜撑，12/13层、38/39层之间设置了环桁架。这些一起与巨柱和核心筒构成了塔楼的主要抗侧力构件。分析结果表明，巨柱、斜撑和桁架组成的抗侧力体系承担了超过10%的剪力以及超过25%的弯矩。

3.2SRC柱子承载力验算

在多遇地震荷载组合值作用下进行了抗弯框架型钢混凝土柱轴压比验算。本结构内A塔框架柱最大轴压比为典型层0.75，加强层0.65，B塔框架柱最大轴压比为典型层0.61，加强层0.56，均小于规范限值。对于主要的SRC柱，采用X-Tract软件进行承载力校核。型钢配钢率特一级按照6%控制，一级和二级按照4%控制，配筋率不小于0.8%。

3.3巨柱内型钢偏置分析

由于建筑师对于斜撑位置、柱定位以及室内效果的要求，巨柱内的型钢没有完全放置在巨柱形心，偏置在巨柱内。考虑由于型钢偏心搁置，而竖向重力均由型钢竖向均匀地传至混凝土偏置的型钢中，轴力会在每层产生相应的水平力，这些水平力在每层会相互抵消，并且由于层高远远大于型钢与巨柱的偏心，所以在每层产生的水平力很小，与风荷载以及地震荷载产生的水平力相比，该力可以忽略。

3.4桁架验算

环桁架是塔楼重要的结构构件，结构设计将其性能目标确定为中震弹性、大震不屈服。根据荷载基本组合，得到各种工况下的组合内力，并且考虑轴力、弯矩、剪力调整系数以及抗震承载力调整系数，得到组合后的内力设计值。在中震情况下，由于部分构件将开裂，因此我们将结构阻尼比取为0.04，并不再对周期进行折减。计算表明，环桁架构件均由风荷载组合控制设计。对于大震不屈服，有意义的分析为弹塑性时程分析。考虑到部分构件将进入塑性阶段，因此将结构阻尼比取为0.05，结构周期不进行折减，将得到的内力进行不屈服验算，结果表明，目前的环带桁架能满足中震弹性、大震不屈服的设计要求。

3.5斜撑验算

塔楼的斜撑与巨柱组成了竖向桁架，提供了很大的侧向刚度，承担了很大的侧向力，同时由于中部有1根周边柱落到斜撑上，斜撑会将周边柱上的重力传至巨柱。此外，周边柱的重力还通过环桁架传至巨柱，因此，竖向力的传递具有较高的冗余度。为了保证结构的重力在地震和风载等情况下不出现问题，结构设计将其性能目标确定为小震弹性、中震不屈服。

3.6 结论

本工程设定为标准设防类别，安全等级为二级，结构整体以及重要构件全面融入了抗震性能化设计。对于外部框架结构巨柱和环桁架均采用中震弹性、大震不屈服设计，斜撑以及其他上部重要抗侧力构件满足中震不屈服设计。 由于采用了冗余度高、传力途径多的结构体系，塔楼在罕遇地震下的性能完全可以保证不倒塌，并且可以确保塔楼在偶然因素下局部构件（上部边框柱或者支撑）的破坏不会引起大范围的倒塌。主要的抗侧力构件以及关键部位和节点均采用钢结构、型钢混凝土等延性很高的构件，保证了结构整体延性。而动力弹塑性时程分析进一步验证了结构在罕遇地震下的整体性能优于不倒塌的要求。同时，各方面的分析结果表明塔楼各项性能指标均符合国家规范要求。因此可以认为，本工程能满足竖向荷载、地震、风荷载作用下的受力要求，结构安全可靠。

4 结构施工难点分析

4.1K形构件吊装及焊接

1）K形节点质量大，与外框劲性柱以及楼面钢梁相连的对接口数量多，斜撑作为塔楼结构受力体系的重要组成部分，精度控制尤其重要，同时需保证外立面的整体美观。如何控制K形节点的安装精度是K形节点吊装的难点。

2）K形节点构造复杂，其最大板厚105 mm，材质为Q420GJC，厚板焊接约束力强，材质强度高，施焊作业时间长，工艺复杂。如何控制焊接变形、消除焊接残余应力、防止层状撕裂是K形节点焊接的难点。

4.2斜撑构件与巨柱模板碰撞

与K形斜撑连接的巨柱最大尺寸为2 400 mm×2 400 mm，巨柱采用C60高强混凝土，施工过程中容易产生大量的水化热，加上混凝土自重对侧模形成强大的压力，一般的常规模板难以保证浇筑成形质量。经过方案比选及市场调研，最终决定采用铝合金模板辅以特制桁架背楞保证模板体系具有足够的刚度及承载力。但由于斜撑的不规则形状且与巨柱不垂直，导致斜撑与巨柱铝模交接处存在大量的异形模板，现场加固难以实施。

4.3K形节点处巨柱钢筋碰撞

巨型柱作为主要支撑体系，具备截面尺寸大、强度要求高等设计特点，必然导致巨柱钢筋大量采用高强钢筋，设计最大钢筋直径为36 mm，且钢筋排布密集，斜撑构件与钢筋交叉碰撞极大地增加钢筋安装施工难度，既要保证斜撑构件具有可靠的支撑性能，又要保证钢筋安装符合设计及规范要求。

5 关键部位技术研究与实施

5.1 引进BIM技术解决复杂节点钢结构与钢筋安装问题

采用Tekla Structures 19.0进行深化设计，利用其所见即所得的三维建模及碰撞校核优势，提高效率及准确性。深化设计前，多方探讨超厚板的焊接合理性、焊接接头的正确设置、道路运输条件的限制、现场吊装设备的起重性能等问题并及时解决，同时对复杂节点进行有限元分析，确保受力节点满足设计要求（图2）。

图2 复杂节点处深化设计

由于施工安排原因，在本层桁架楼承板及钢构件安装完成后再进行土建钢筋、模板安装，不可避免地导致钢梁范围内钢筋与钢结构穿孔问题，利用BIM技术在钢结构深化设计阶段布置穿筋孔，避免现场后开孔影响钢结构材料力学性能；钢梁范围外由于巨柱最大尺寸为2 400 mm×2 400 mm，现场需制作超大箍筋，由于外框钢筋作业面滞后外框钢结构3层以上，导致巨柱外侧大箍筋无法按照正常结构从上往下套，经过设计优化，采用2段开口箍对角焊接的方式有效解决该问题[1]。

纵向钢筋与箍筋与斜撑冲突，在深化设计阶段在征得设计单位同意的情况下，采用在钢斜撑上增加连接板，将断开的钢筋与斜撑焊接的方式解决钢筋与钢斜撑断开的问题，保证巨柱钢筋安装质量（图3）。

图3 钢筋安装优化措施

5.2K形构件吊装方案的选择

5.2.1 K形节点分段

因K形节点处板厚大，质量重，现场布置的4台TCR6055动臂式塔吊，28 m（考虑卸车半径）处额定起重量为21.5 t，而K形节点整体质量为29 t，故将K形节点一分为二，以满足塔吊吊装要求。

5.2.2 K形节点吊装精度控制

吊装前使用大型通用有限元软件ANSYS对其进行受力分析，根据分析得到的构件变形情况，在起吊前预调整构件就位姿态。吊装就位后使用连接板配合高强螺栓将K形节点临时固定于下层钢柱与斜撑上，此时高强螺栓不得完全拧紧，待使用倒链将K形节点微调至设计位置后，拧紧高强螺栓（图4）。

图4 ANSYS复杂节点有限元受力分析

5.2.3 K形节点焊接控制

1）焊接顺序。应力较大、焊缝分布较集中的区域先焊完，再焊应力较小的区域；对于同一区域内的，厚板焊接先于薄板；焊接应力向自由端释放，杜绝多个方向的应力传导至同一点的情况。

2）焊接变形控制。根据制造工艺要求，预留焊接收缩余量，预置焊接反变形；采用较小的坡口尺寸以减小热输入；焊接每一构件的变形，保证装配误差小于公差表的要求；使用工装夹具等刚性固定措施控制焊后变形；采用热量分散、对称分布的方式施焊；采用多层多道焊代替单道焊；采用双面对称坡口，并在多层多道焊时采用与构件中轴对称的焊接顺序。

3）厚板层状撕裂控制。焊接前，对母材焊道中心线两侧各2倍板厚加30 mm的区域内进行超声波探伤检查。母材中不得有裂纹、夹层及分层等缺陷；严格控制焊接顺序，尽可能减少垂直于板面方向的约束；根据母材的碳当量和焊接裂纹敏感性系数值选择正确的预热温度和后热处理；采用低氢型焊条施焊，必要时可采用超低氢型焊条，在满足设计强度的前提下，采用屈服强度较低的焊条。

5.3K形节点处异形巨柱模板安装

本工程标准层高为4.2 m，巨柱截面尺寸由2 400 mm×2 400 mm变截面缩小到1 300 mm×1 300 mm，采用铝模加固，外面从底到顶设置9道桁架背楞。由于塔楼巨柱K形节点主要由亚字形斜撑与外框钢柱交叉组成，随楼层的增加，截面逐渐变小。在K形节点位置，由于斜撑与巨柱内双H型钢连接，导致铝模无法安装，通过与铝模厂家协商，在斜撑周边150～200 mm范围内均安装木模板，断开处背楞增加对拉螺杆加固，同时斜撑自带连接板，通过将钢背楞与连接板焊接，解决异形模板安装问题（图5）。

图5 K形节点处异形模板安装处理

6 结语

从超高层的结构设计出发，在满足建筑美学功能的前提下，通过分析各个构件及整体结构受力，选择最优的结构设计方案，既能满足建筑需求又能保证结构安全。同时由于其特殊的结构带来一系列施工难题，需要寻找非常规的施工方案与措施，在300 m超高层领域补充了一些施工经验，具有一定的参考价值。