C80混凝土在超高层钢筋混凝土偏筒结构中的应用.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年7月第30卷 第7期JUL 2023Vol.30 No.7DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.07.010作者简介：吕坚锋（1983-），男，博士，高级工程师，主要从事建筑结构设计、咨询、建筑工业化、风电结构设计等工作。E-mail：0引言框架-核心筒结构是超高层建筑中最常见的结构体系之一1，当外框采用钢筋混凝土时通常具有较好的经济性，但由于结构自重较大，构件尺寸也往往较大。偏心核心筒结构的核心筒偏置于一侧，另外一侧的外框柱承担了绝大部分楼面竖向荷载，框架柱截面进一步加大且结构扭转效应明显2。外框柱截面过大，在一定程度上会对建筑室内空间的品质造成不利影响，设计时需要在经济性和建筑品质两者之间做好平衡3。高强混凝土和高强钢具有较高的抗压强度，同等情况下可以节省材料用量，并减小构件尺寸，是控制超高层外框柱截面尺寸和成本的有效方式4。本文以实际工程为例，重点介绍超高层钢筋混凝土偏筒结构设计思路及C80混凝土在工程中的实际应用。1建筑概况广州市增城区某综合发展项目拟新建建筑物包括2栋办公（酒店）及2栋住宅，其中办公楼底部设置商业及共享办公（4层）。项目占地面积约3.52万m2，地上建筑面积约25.75万m2，地下建筑面积约12.0万m2，设置4层地下室。本文研究对象为 C1栋办公塔楼（见图 1右侧塔楼），C1塔楼地上48层，屋面高度为221.2 m，主要功能为办公（层高4.5 m），典型平面如图2所示；14层为裙房（层高4.57.1 m），裙房高度为21.1 m。2结构主要设计参数本工程设计基准期为50年，抗震设防分类裙房以C80混凝土在超高层钢筋混凝土偏筒结构中的应用吕坚锋，徐麟（广州容柏生建筑结构设计事务所广州510170）摘要：框架-核心筒结构是超高层建筑中最常见的结构体系之一，当外框采用钢筋混凝土时通常具有较好的经济性，但由于结构自重较大，构件尺寸也往往较大，需要在经济性和建筑品质两者之间做好平衡。以广州增城某综合发展项目办公塔楼为例，介绍了C80混凝土在超高层钢筋混凝土偏筒结构中的应用。研究表明，通过高强混凝土和高强钢的应用，在兼顾经济性的同时可有效减小外框柱的截面尺寸，提高建筑品质和结构抗震性能，高强材料在超高层结构中具有广阔应用场景。关键词：高层建筑；结构设计；偏筒结构；高强混凝土；建筑品质中图分类号：TU973+.3文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）07-042-05Application of CApplication of C8080 Concrete in a Super High-rise Eccentric RC Frame-corewall StructureConcrete in a Super High-rise Eccentric RC Frame-corewall StructureLV Jianfeng，XU Lin（RBS Architectural Engineering Design AssociatesGuangzhou 510170，China）AbstractAbstract：The frame-corewall structure is one of the most common structural systems in super high-rise buildings.When the outer frameis made of reinforced concrete，it usually has good economy.However，due to the large weight of the structure and the large size of thecomponents，it is necessary to balance the economy and building space quality.Taking the office tower of a comprehensive development project in Zengcheng as an example，the application of C80 concrete in super high-rise eccentric RC frame-corewall structure is introduced.Theresearch shows that the application of high-strength concrete and high-strength steel can effectively reduce the section size of the outer framecolumn，improve the building space quality and structural seismic performance while giving consideration to the economy.High strength materials have broad application scenarios in super high-rise structures.Key wordsKey words：high-rise buildings；structural design；eccentric frame-corewall structure；high strength concrete；building space quality图1建筑效果Fig.1Architectural Effect42吕坚锋，等：C80混凝土在超高层钢筋混凝土偏筒结构中的应用JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期上塔楼为丙类（裙房为乙类），结构安全等级裙房以上塔楼为二级（裙房为一级），地基基础等级为甲级，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为类，场地特征周期0.35 s。50年重现期基本风压为W0=0.50 kPa，地面粗糙度C类。设计风荷载取值采用风洞实验与规范风荷载两者较大值。3结构选型及布置3.1结构体系结合建筑功能、立面造型、抗震（风）要求、施工周期以及造价等因素，塔楼采用钢筋混凝土框架-核心筒（偏筒）结构体系，无加强层。3.2结构设计特点及难点 结构高宽比7.4较大，需合理控制结构刚度及抗倾覆性能；核心筒偏置，结构扭转效应明显，重力荷载下天然存在水平位移；框架柱存在局部外凸和内收，需采用合理方式过渡；结构自重较大，外框柱承担了绝大部分楼面竖向荷载，柱截面过大。3.3结构应对措施 针对高宽比较大的问题：采用钢筋混凝土外框，提高整体刚度，避免设置加强层，简化结构，节约成本；使外框柱与核心筒剪力墙尽量对齐，提高结构抗侧效率。塔楼在风荷载下最大层间位移角1/589，满足高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 32010 要求5。针对核心筒偏置引起的扭转过大问题，参考同类型项目经验6-7：区分不同位置剪力墙厚度，中部墙体较厚，北侧墙体较薄；结合北侧建筑平面凹口，尽量避免在北侧设置过多长墙；适当增加外围边框梁截面以提高塔楼抗扭能力，并将外围框架梁抗震性能目标提高至抗剪、抗弯不屈服。最终塔楼最大扭转位移比1.3出现在裙房楼层，在合理范围。对竖向荷载作用下核心筒与外框的竖向沉降差及水平变形进行专项分析2（见图3）：恒载下各楼层水平变形值由下到上逐渐增大，在约2/3高度处达到最大值51 mm；活载下水平变形值由下到上逐渐增大，在顶部达到最大值53 mm；恒载及活载作用下最大水平变形81 mm；最大层间位移绝对值5.3 mm，最大层间位移角绝对值为1/851，该层间位移角包含了下部结构弯曲变形引起的转角，结构实际有害层间位移角较小；结构施工及设备和幕墙安装应考虑上述竖向荷载作用下的水平变形产生的不利影响，确保结构施工完成后的垂直度满足要求，电梯等设备和幕墙的安装需预留足够变形空间，避免影响正常使用。针对局部框架柱外凸（南侧局部外扩1.5 m）和内收（中区东侧内收0.9 m），采用两层斜柱过渡，控制斜率不超过1 6，并在斜柱转折楼层相连框架梁内设置型钢构造加强，性能目标提高至中震抗剪弹性、抗弯不屈服。针对外框柱截面过大的问题，在中低区外框柱采用 C80高强混凝土并内置 Q420GJ高强钢，从而控制外框柱截面在合理范围（详见表1方案1）。4外框柱材料对比选型4.1C80高强混凝土对比选型高强混凝土高强钢具有较高的抗压强度，在外框柱为轴压比控制时，同等情况下可以节省材料用量，图2标准层建筑平面Fig.2Layout of Standard Floor（mm）低区高区1/A1/881356203515001694512850312959000900090009000900080009001/A1/88135620351500169451285031295900090009000900090008000900图3竖向荷载下水平变形及层间位移角曲线Fig.3Horizontal Deformation and Story Drift RatioCurve under Vertical Load水平变形层间位移角曲线100500竖向荷载下水平变形/mm标高/m恒载活载恒+活150200250200100406080100500竖向荷载下层间位移/mm标高/m恒载活载恒+活150200250-5-10051043广东土木与建筑JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期并减小构件尺寸，是控制超高层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对比如表1所示，方案1在31层及以下采用C80高强混凝土，其余楼层为C60，最大柱截面 1 4002 000，型钢含钢率 6.0%4.2%，型钢范围B59层；方案2全楼采用C60混凝土，优先控制柱截面与方案1相同，最大柱截面1 4002 000，型钢含钢率7.5%4.2%，型钢范围B530层；方案3全楼采用 C60 混凝土，但优先减少型钢用量，最大柱截面1 4002 300，型钢含钢率6.0%4.0%，型钢范围B59层。外框柱经济性对比如表2所示，方案2柱截面与方案1相同，但型钢含钢率及型钢楼层范围均有明显增加，总型钢用量增加了约1 117 t，外框柱材料总成本增加了约998万元；方案3与方案1相比，型钢含钢率及型钢楼层范围基本相同，但柱截面最大需增加约300 mm，中低区柱截面均有不同程度增加，总混凝土用量增加了约 778 m3，外框柱材料总成本增加了约137万元。综合考虑经济性和建筑品质（柱截面尺寸），项目最终采用了方案1，即31及以下楼层外框柱采用C80高强混凝土。4.2高强型钢对比选型塔楼外框柱均为轴压比控制，柱内需设置型钢以控制柱截面尺寸，并提高外框柱采用C80高强混凝土后的抗震延性。塔楼型钢采用不同强度钢材的经济性进行对比结果如表 3 所示，钢材强度越高，经济性越好，采用Q420GJ比Q345可节省约96万元。在钢材供货周期基本相同的情况下，最终塔楼外框柱型钢采用Q420GJ钢材。4.3型钢柱节点构造塔楼外框柱设置型钢后需考虑框架梁纵筋锚固做法，本项目典型梁柱节点为1根径向框架梁及2根边框梁同时与外框柱相交节点。若采用普通“十字形”型钢做法，如图4所示，边框梁纵筋基本可正常拉通或伸入柱内锚固，但是径向框梁纵筋大部分与型钢翼缘冲突，锚固长度不足。此时可在型钢翼缘外侧增加搭接钢板，梁纵筋与搭接钢板焊接连接，或采用套筒焊接与型钢翼缘上。两种钢筋锚固做法均较常见，但构造复杂，施工麻烦，现场焊接质量也不易保证。因外框柱为轴压比控制，等面积改变型钢截面形状基本不影响外框柱承载力及轴压比。设计将型钢形状从“十字形”改为“酒杯形”，如图4所示，直接规避了框梁纵筋与型钢翼缘冲突的问题，从而简化施工