超高層框架核心筒體系勁性結(jié)構(gòu)節(jié)點深化研究

凌澤高 史秀軍

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

框架-核心筒結(jié)構(gòu)，由外圍梁柱構(gòu)件構(gòu)成的框架和中間剪力墻筒體組成，二者共同作用，形成框架-核心筒結(jié)構(gòu)受力體系?？蚣?核心筒結(jié)構(gòu)主要依靠中間部分剪力墻筒體提供水平抗力，具有十分良好的側(cè)向剛度，抗震性能優(yōu)越，國內(nèi)主流300 m高度范圍的超高層建筑均采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。

框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系按使用材料不同，通常分為鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)和框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，二者區(qū)別在于水平構(gòu)件的不同。鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)，外圍框架柱之間、框架柱與核心筒之間均由鋼筋混凝土梁連接，樓面采用現(xiàn)澆混凝土；框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系，外圍框架柱之間、框架柱與核心筒之間的連接為工字鋼梁，樓板多為壓型鋼板組合樓面。

1 工程概況

徐家匯中心位于上海徐家匯街道，東側(cè)緊鄰軌道交通11號線，軌道交通9號線橫穿北側(cè)。項目地上部分主要由T1塔樓、T2塔樓及7層附屬酒店裙房組成；建筑主體地下部分共6層，基坑開挖深度超過30 m。徐家匯中心項目，是集商業(yè)、辦公、餐飲和星級酒店于一體的城市綜合體工程。

其中，T1塔樓共43層，建筑高度約220 m，其結(jié)構(gòu)形式為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，由外圍16根框架柱及核心筒組成，框架柱及剪力墻核心筒均采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，樓層框架梁及樓面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土。T1塔樓型鋼柱鋼骨截面自地表起，1—22層為十字形，22—33層為T字形， 33—38層為工字形（圖1）。

2.解決問題拖拉造成納稅人不滿。近年來稅制改革步伐不斷加快，在提高營商環(huán)境的大背景下對稅務(wù)部門(特別是基層稅務(wù)機關(guān))的要求也越來越高。但與此同時，事往基層壓、人往機關(guān)走等行政機關(guān)當前的通病造成基層稅務(wù)部門面臨很大的壓力。青年且有能力的稅務(wù)干部往往被上級抽調(diào)、借調(diào)，基層從事管理執(zhí)法的干部年齡和知識老化，思維固化，對新的稅收政策和業(yè)務(wù)知識接受能力不強，熟悉和掌握的速度不夠快，對企業(yè)咨詢的問題未能準確解答，對企業(yè)申請的事項未能及時解決，造成納稅人不滿，容易產(chǎn)生被投訴風險。

圖1 T1塔樓結(jié)構(gòu)平面示意

T2塔樓共70層，建筑高度約370 m，結(jié)構(gòu)形式與T1塔樓相同，同為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，其框架柱及剪力墻核心筒均采用型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于T2塔樓樓層框架梁、次梁均為工字鋼梁，樓面為壓型鋼板組合樓面。T2塔樓型鋼柱鋼骨截面，地下6—28層為十字形，28層以上均為T字形（圖2）。

圖2 T2塔樓結(jié)構(gòu)平面示意

2 2種型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)深化設(shè)計上的難點分析和對比

2.1 T1塔樓梁柱節(jié)點深化設(shè)計難點

T1塔樓梁柱節(jié)點為型鋼混凝土柱-混凝土梁的連接，深化的主要對象是梁縱向受力鋼筋，由于柱內(nèi)鋼骨阻擋梁鋼筋，大部分梁鋼筋無法滿足錨固長度需求，因此其深化核心思路以梁為主，以柱為輔，主要難點如下：

1）大直徑鋼筋密集，彎折、避讓困難。在塔樓部分中，主梁鋼筋直徑多以40 mm大直徑鋼筋為主，大直徑鋼筋現(xiàn)場彎折比較困難，尤其是在鋼筋密集、空間狹小的節(jié)點核心區(qū)內(nèi)，滿足保護層要求前提下，鋼筋平面彎折排布、與柱筋相互避讓，立面各梁之間多層鋼筋分層排布，綜合之下，深化比較困難。

2）梁柱夾角多樣。一般工程中，型鋼混凝土柱與混凝土梁均相互垂直，鋼筋進入節(jié)點核心區(qū)與鋼骨的碰撞情況基本相同，且橫平豎直的條件使得鋼筋排布較為簡單。在本工程中，絕大部分梁柱節(jié)點的梁柱夾角在0～90°不等分布，每個節(jié)點深化的情況均不相同，部分梁柱夾角過大使得鋼筋按照常規(guī)措施無法滿足連接要求。

3）框架柱存在不同程度傾斜，機械套筒定位煩瑣、困難，定位精度要求高。T1塔樓26—38層的各樓層均有部分型鋼混凝土柱傾斜的情況，當涉及斜柱部分的深化，需結(jié)合梁柱平面布置、剖面豎向分布等，涉及機械套筒三維空間定位。

2.2 T2塔樓深化梁柱節(jié)點深化設(shè)計難點

T2塔樓深化梁柱節(jié)點為型鋼混凝土柱-工字鋼梁，柱縱筋被鋼梁上下翼緣截斷，柱箍筋被鋼梁腹板截斷，因此深化核心思路是以柱為主，箍筋為輔，深化設(shè)計的主要難點如下：

斜柱節(jié)點需手動調(diào)整鋼梁定位，變動量大，耗費時間長。斜柱節(jié)點中，鋼梁下翼緣與柱鋼骨連接時，鋼梁下翼緣超出柱鋼骨翼緣范圍，此時需反方向移動鋼梁與柱鋼骨連接定位點，保證鋼梁上下翼緣均在鋼骨翼緣范圍內(nèi)。T2塔樓30層以上，斜柱占比接近90%，大量工字鋼梁定位變動大，影響深化效率。

3 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點深化基本原則

T1塔樓與T2塔樓雖同為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，但T1塔樓深化梁柱節(jié)點為型鋼混凝土柱-混凝土梁，T2塔樓深化梁柱節(jié)點為型鋼混凝土柱-工字鋼梁，2種結(jié)構(gòu)材料的不同導致深化原則存在很大差異。

3.1 型鋼混凝土柱-混凝土梁節(jié)點深化基本原則

1）鋼筋錨固。按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，滿足受拉鋼筋抗震錨固長度laE的優(yōu)先直錨，直錨長度不足情況下進行彎錨，并滿足彎錨水平段長度大于0.4laE，豎直段大于15d（d為梁縱向受力鋼筋直徑）。

2）鋼筋代換和T形梁。T形梁運用于梁頂鋼筋，處理方法是將第2排鋼筋放入第1排中，保持原梁截面不變，多出的鋼筋放入樓板中，按鋼筋間距重新排列成1排，形成T形梁。當主梁梁底縱向受力鋼筋排布困難時，與設(shè)計溝通確認后，可考慮等截面鋼筋代換，使得鋼筋排布更加符合現(xiàn)場情況。

3）鋼筋1∶6彎折。型鋼柱鋼骨阻擋鋼筋，梁縱向受力鋼筋按1∶6斜率彎折避讓鋼骨，錨固長度仍需滿足相應的設(shè)計要求。

4）型鋼柱鋼骨翼緣或腹板開孔供梁鋼筋穿過。本工程中，若鋼骨翼緣或腹板開孔，大直徑鋼筋的孔徑使鋼骨截面損失較大，經(jīng)設(shè)計確認，不允許塔樓鋼骨翼緣或腹板開孔，因此不采用鋼骨開孔方式。

5）鋼骨翼緣焊接機械連接套筒。本工程中，大部分梁縱向受力鋼筋與鋼骨翼緣并非垂直連接，而是呈一定角度。經(jīng)施工現(xiàn)場、鋼結(jié)構(gòu)廠家與設(shè)計協(xié)商，當機械套筒與鋼骨翼緣之間角度不超過30°時才允許使用，T1塔樓中很多梁柱夾角均不滿足，因此機械套筒在本工程中具有很大局限性。

6）梁縱向受力鋼筋與連接板焊接。當以上條件均不滿足時，梁縱向受力鋼筋可與連接板進行焊接來傳力，并滿足雙面焊焊縫長度5d，焊縫長度要求連接板必須有足夠尺寸供鋼筋焊接。連接板僅能焊接1排鋼筋，當梁鋼筋為多排時，仍需連接板焊接和機械連接套筒合用，因此仍具有一定局限性。

7）外伸式套筒運用。外伸式套筒的構(gòu)造是T形鋼板加機械套筒，T形板焊接鋼骨翼緣，外板垂直混凝土梁，機械套筒垂直焊接于外板上。外伸式套筒利用T形板解決單純機械套筒角度限制問題，而T形板尺寸可以靈活調(diào)整，端版可焊接多個、多排機械套筒，腹板可靈活選擇焊接至鋼骨翼緣，以避讓另一方向縱筋（圖3）。

圖3 典型型鋼混凝土柱-混凝土梁節(jié)點深化示意

3.2 型鋼混凝土柱-工字鋼梁節(jié)點深化基本原則

型鋼混凝土柱-工字鋼梁節(jié)點相對于型鋼混凝土柱-混凝土梁節(jié)點，工字鋼梁替換為鋼筋混凝土梁，只需考慮被鋼梁截斷的柱筋與箍筋。

1）根據(jù)鋼梁截斷柱筋位置，結(jié)合套筒邊距要求，定位出所需機械套筒。當機械套筒與鋼梁邊界小于50 mm時，移動柱筋避開鋼梁，不設(shè)機械套筒；當鋼梁上僅設(shè)1個機械套筒時，移動套筒至鋼梁腹板。

2）T2塔樓鋼骨與工字鋼梁定位原則：鋼梁與型鋼柱內(nèi)鋼骨連接定位為鋼梁上翼緣中點與鋼骨翼緣中點或鋼骨腹板中點重合。當鋼骨傾斜時，鋼梁上翼緣與結(jié)構(gòu)標高存在150 mm高差，過鋼骨腹板與結(jié)構(gòu)標高交點處做中垂線，中垂線與鋼梁梁頂處水平標高線相交點即為鋼梁與型鋼柱鋼骨連接定位點。

3）柱箍筋被鋼梁腹板截斷，箍筋直接焊接于套筒的加勁板上。此處的箍筋直接利用套筒加勁板傳力，腹板上不開孔。

4 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點深化關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于不同柱截面的型鋼混凝土柱節(jié)點連接方式綜合分析

外框柱由主梁連接形成閉合環(huán)形，按深化原則，除正常彎錨外，主筋只能一端使用機械套筒連接，另一端與加勁板焊接進行傳力，或鋼筋兩端均為焊接連接。因此，對16個梁柱節(jié)點進行綜合模擬分析，即在滿足鋼筋連接條件情況下，以減少鋼筋焊接量、縮短工期為目的，得出梁柱節(jié)點區(qū)鋼筋連接最優(yōu)深化方案，這也正是本次深化的意義之一。

T1塔樓深化樓層范圍內(nèi)，鋼骨共有十字形、T字形和工字形3種截面類型，以T字形截面為例進行分析。T1塔樓框架柱呈對稱，以Z5～Z8共4根框架柱為1組作為代表，根據(jù)鋼骨截面翼緣朝向和梁柱夾角條件得出如圖4所示方案。對比發(fā)現(xiàn)，2種方案機械套筒使用數(shù)量、鋼筋焊接量基本相同，圖中三角形代表該處梁主筋與鋼骨使用機械套筒連接，圓形為連接板焊接。經(jīng)與現(xiàn)場溝通，方案2鋼筋焊接集中，方便現(xiàn)場集中焊接某一節(jié)點，減少焊機等器械的搬動，最終選擇方案2進行深化[1]。

圖4 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)節(jié)點連接方案

由方案2推定，其余節(jié)點按相同方式連接。最終，本工程T字形截面鋼骨樓層整體節(jié)點連接方式均按圖5所示的方式進行。

圖5 節(jié)點連接方式整體方案

4.2 基于三維軟件輔助的型鋼混凝土柱節(jié)點深化

4.2.1 節(jié)點區(qū)鋼筋碰撞及排布

斜柱節(jié)點中，柱鋼筋隨框架柱傾斜，而框架梁保持豎直與柱連接，不同梁高的梁頂平面和梁底平面、同一梁中多排鋼筋與柱鋼筋避讓均不相同，同一節(jié)點內(nèi)相互避讓保持整體聯(lián)動，調(diào)整某一根鋼筋很可能會導致整個節(jié)點內(nèi)鋼筋重新排布。

使用傳統(tǒng)二維圖紙進行節(jié)點內(nèi)鋼筋排布時，只能單一針對某一平面，剖面圖與平面圖在部分問題上存在差異，且剖面圖表達不全面，單獨依靠二維圖紙，缺乏整體聯(lián)動，很難從整體上把握復雜節(jié)點鋼筋排布情況。

從三維角度出發(fā)，利用三維整體可視化的優(yōu)勢，可以直觀地進行節(jié)點區(qū)鋼筋的排布。

首先無需依照設(shè)計圖紙再次進行三維模型的建立，直接由計算模型導出整個塔樓鋼骨三維模型，保證模型和圖紙的一致性。三維模型中，需按照設(shè)計圖紙進行柱鋼筋和梁鋼筋的建模，鋼筋碰撞情況可直觀觀察，對鋼筋進行調(diào)整和排布，直至滿足要求。

4.2.2 輔助斜柱節(jié)點鋼梁及機械套筒定位

基于三維軟件進行輔助定位，按柱筋排列規(guī)律進行柱筋建模，在三維模型中直接對柱鋼筋進行調(diào)整避讓，完成后所需套筒的位置可以直接測量得到。三維模型中定位精準且方便，大大節(jié)省了在二維圖紙中重復定位耗費的時間，提高了深化的準確性和效率。

在三維模型中進行深化，可以對該節(jié)點內(nèi)鋼筋的排布進行整體把握，當移動某一鋼筋時，轉(zhuǎn)動三維模型，即可從不同角度實時觀察出不同平面的多排鋼筋碰撞情況，一目了然，使深化工作變得簡單、高效[2-3]。

4.3 柱箍筋多種阻斷深化

1）箍筋被工字鋼梁截斷。節(jié)點核心區(qū)，柱箍筋被鋼梁腹板截斷，箍筋直接焊接于套筒加勁板上。此處箍筋直接利用套筒加勁板傳力，無需另外腹板開孔。當套筒位于鋼梁腹板處時，按深化原則不需要加勁板，此處增設(shè)一塊厚10 mm連接板，供被打斷箍筋焊接。

2）箍筋被雙梁截斷。箍筋被雙梁截斷處理方式與單梁情況相似，箍筋直接焊接于套筒加勁板上，被雙梁隔斷的中間部分間距較小，以加勁板及鋼梁腹板承擔內(nèi)力，不另外設(shè)箍筋（圖6）。

圖6 節(jié)點區(qū)箍筋連接示意

3）阻尼器連接板對節(jié)點深化的影響。T2塔樓每隔10層設(shè)置1層阻尼器層，黏滯阻尼器鋼支撐與梁柱節(jié)點區(qū)形成斜撐連接。連接節(jié)點板截斷型鋼柱內(nèi)箍筋，若節(jié)點板均穿孔處理，則2排箍筋穿孔導致節(jié)點板截面面積損失過大；若增設(shè)2排加勁肋，加勁肋間距過小，2排箍筋現(xiàn)場焊接困難，同時施工時灌漿難度很大。

對此，本工程的處理方式具體如下：被截斷內(nèi)排箍筋，節(jié)點板開孔，按箍筋排布間距，每隔100 mm開直徑20 mm孔，外排箍筋處則增設(shè)加勁肋，箍筋焊接至加勁肋上（圖7）。

圖7 阻尼器節(jié)點深化剖面

5 結(jié)語

本文以上海徐家匯中心項目為實例，介紹了型鋼混凝土柱-混凝土梁和型鋼混凝土柱-工字鋼梁2種不同的梁柱節(jié)點深化原則、深化難點和關(guān)鍵技術(shù)措施。針對工程中出現(xiàn)的難點，創(chuàng)新性提出外伸式套筒作為連接，為工程實際提供了切實有效的解決方案。

同時，基于三維軟件輔助，精準定位鋼骨及鋼梁位置，模擬節(jié)點鋼筋實際排布，高效解決了斜柱節(jié)點中定位困難的問題。

深化過程中始終考慮施工便利性與工期進度因素的影響，確保了型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟性，積累了寶貴的型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)深化經(jīng)驗，可為今后工程提供借鑒。