天和國際中心結構設計

周含川，楊海生，張朝（重慶市設計院，重慶　400015）

天和國際中心結構設計

周含川，楊海生，張朝
（重慶市設計院，重慶400015）

天和國際中心為結構高度297m的超B級高度高層建筑，結構體系為框架核心筒，框架柱采用鋼管疊合柱，框架及核心筒采用鋼筋混凝土。結合建筑特點通過分析對比優選結構方案。解決疊合柱與框架節點構造、核心筒連開大洞、疊合柱與多向梁相交特殊節點等難題。采用高強材料，帶來了經濟效益。

超高層設計；疊合柱柱節點；核心筒連開大洞；高強鋼筋運用

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2015.10.029

1　工程概況

天和國際中心為重慶觀音橋標志性建筑，結構高度297m，建筑面積17萬m2，塔樓58F/-8F，裙樓5F。裙房尺寸約為105m x64m，塔樓尺寸底部為45m x45m向上逐漸收進為38m x38m。低區主要功能為商業，中區、高區為辦公、酒店。

主體結構體系為鋼筋混凝土框架-核心筒。沿豎向劃分為三段：一段為負8層～7層；二段為8層～31層；三段為32層～屋面層。一段框架柱采用鋼管混凝土疊合柱，核心筒采用型鋼混凝土剪力墻；二段框架柱采用鋼管混凝土疊合柱，核心筒鋼筋混凝土；三段框架柱采用鋼筋混凝土柱，核心筒鋼筋混凝土。

結構設計基準期50年，安全等級二級，抗震設防烈度6度，設計地震分組一組，建筑場地類別II類，基本風壓0.4kN/m2，地面粗糙度類別為C類。

圖1　建筑效果圖

2　主體結構體系

通過方案比選，對比混合結構體系和鋼筋混凝土結構體系，進行伸臂桁架敏感性分析和腰桁架、帽桁架敏感性分析，最終確定主體結構采用鋼筋混凝土結構框架-核心筒體系，形成多重抗側力結構體系，分別由鋼筋混凝土核心筒、外框架組成，共同承擔地震作用和風荷載所產生的水平剪力及傾覆力矩［3］。典型層結構平面布置詳圖2。

圖2　平面示意圖

2.1主要的抗震（風）設計思想

2.1.1采用成熟體系，實施多道設防

結構整體采用較為成熟且已被多項工程成功采用的雙重抗側的外框架+核心筒，滿足結構抗震及抗風設防要求。

2.1.2重點部位及構件合理選型

外框柱采用單位面積強度較高的鋼管疊合柱，低區核心筒墻體為確保延性在重要部位設置鋼管或型鋼，加強鋼混凝土與鋼管疊合柱節點合理設計。

2.2鋼筋混凝土核心筒

鋼筋混凝土核心筒從基頂伸至屋面，核心筒在強震下的延性是結構安全性的主要考慮目標，為了改善鋼筋混凝土延

圖3　核心筒示意圖

2.3結構構件主要尺寸及混凝土強度

墻柱混凝土采用C60～C35，塔樓外框柱1600mm x1600mm（鋼管Φ1200x30）～1000mm x1000mm。

核心筒墻厚外墻1200～400mm，內墻600～300mm，混凝土采 用 C35，框 架 截 面 600mm x600mm、600mm x900mm、900mm x600mm、800mm x600mm等。

3　鋼管疊合框架柱與鋼筋混凝土柱關鍵節點設計

鋼管疊合柱做為外圍框架柱［1］，由于鋼管套箍作用，鋼管內混凝土處于三向受壓，抗壓強度比普通鋼筋混凝土大幅提高，具有單位面積較高強度的特點。本工程柱截面1600mm x1600mm，鋼管Φ1200x30到 上 部逐 漸 收 進 為1400mm x1400mm，鋼管Φ1000x20，套箍指標1.03～1.53，豎向承載力為同等截面鋼混凝土柱的2.25～2.47倍，柱截面面積減小54%～59%，減小柱自重累計增大使用面積達750㎡，帶來較好的經濟效益。

鋼管混凝土疊合柱除了具有鋼管混凝土的優點外，鋼管外鋼筋混凝土進一步提高了柱的強度與剛度。同時外圍鋼筋混凝土也提高了柱的防火性能，不用進行防火涂抹。疊合柱具有截面小但強度高的特點。比較適合低烈度、低風壓地區的超高層不需要增大柱截面以提高側向剛度的情況。

鋼管疊合柱外框柱與鋼筋混凝土節點是關鍵節點，框架梁內縱向鋼筋在疊合柱內的錨固方式及有效性是重點。可用的有雙節點，筋穿疊合柱內鋼管節點，柱內鋼管設鋼筋套筒連接縱筋節點等，各具優缺點［5］，須結合工程特點綜合考慮（見圖4）。

圖4　鋼管混凝土柱與框架梁節點

3.1雙梁節點

雙節點為了避免框架縱筋穿過疊合柱內鋼管，一般設兩個同樣截面大小的框架對稱位于疊合柱鋼管外的鋼筋混凝土區域內。其優點是，鋼筋不用穿柱內鋼管，施工簡便。缺點是，由于雙節點的存在，限制了柱內鋼管的大小，無法充分發揮柱內鋼管套箍作用及疊合柱高強度的優勢；設置了雙節點，增大了的混凝土及構造鋼筋用量，整體造價偏高（見圖4）。性，將核心筒角部沿全高設置約束邊緣構件，并在低區（從基礎向上約15層）核心筒外墻四角、內墻與外墻交接處、外墻洞口附近墻肢內埋設鋼管Φ500x20（或型鋼），進一步提高墻體延性。低區采用高強混凝土，減小墻軸壓比，減小結構自重。加入鋼管后，筒體軸壓比限值能提高約0.1。

核心筒布置在X向基本對稱，但根據建筑需要在Y向存在偏置，對墻體較多一側采取墻上局部開洞和相對減薄等措施相對削弱偏置墻體使得筒體剛度均勻，減小扭轉效應。經多次調整基本消除了建筑偏置布置帶來的偏心。由于使用功能需要，筒體在Y向分別于32層和47層有一次向內收進，通過對貫通墻和收進墻肢相對厚度的調整不斷試算，保證各區筒體墻肢平面布置均勻及對稱。核心筒平面剖面見圖3。

3.2鋼管焊接套筒節點

柱內鋼管設鋼筋套筒連接梁縱筋節點是在疊合柱內鋼管外壁上預先焊接鋼筋連接套筒，通過連接套筒連接框架縱筋。優點是不限制柱內鋼管的大小，提高鋼管內約束混凝土的比例，充分發揮疊合柱豎向承載力且不用削弱鋼管。缺點是對套筒定位及鋼管安裝精度要求過高，超過了常規施工隊伍的精度水平，實踐工程中往往難以實現，使用較少（見圖4）。

3.3鋼筋穿鋼管節點

鋼筋穿鋼管節點是在疊合柱的鋼管上開設縱筋的穿筋孔，縱筋穿過鋼管上的穿筋孔錨入鋼管內的核心混凝土中。優點是不限制柱內鋼管的大小，可最大程度提高鋼管內約束混凝土的比例，充分發揮疊合柱豎向承載力高的優勢，從而節約材料騰出更多使用空間；鋼筋直接穿入鋼管內，傳力明確，節點性能較好。穿孔處通過補強環板的設置彌補了開洞對鋼管的削弱。缺點是以往工程施工反映鋼管開穿筋洞口時施工較麻煩。一種解決辦法是鋼管在工廠制作時預先鉆孔然后現場安裝，這對鋼管安裝的精度要求較高，鋼管安裝定位垂直度及轉角都對縱筋就位產生較大影響。另一種辦法是鋼管只在工廠焊接補強環板現場就位后現場開孔。現場開孔不得使用火焰切割，一則會造成鋼管溫度殘余應力不利于發揮鋼管的最大作用，另外開孔精度不高。可使用磁力鉆現場定位并開孔，經現場試驗，開孔尺寸較精準，機械鉆孔也不產生高位殘余應力，機具較小一兩個人便可操作。經過比選，本工程采用此節點，順利解決鋼管穿筋問題。現場施工見圖5、圖6。

圖5　疊合柱鋼管開孔作業

圖6　疊合柱鋼筋混凝土梁穿筋

當框架受力較大，縱向穿疊合柱鋼筋數量較多時，為減少鋼筋穿鋼管排數，縱筋采用豎向2根縱筋并筋，鋼管內開長圓孔，既減少了鋼管內開孔排數，也確保內縱筋有效高度。筋錨固長度按并筋要求執行。

當斜向交匯于疊合柱時為避免在疊合柱鋼管內多排開孔過分削弱鋼管以及過多減小梁縱筋有效高度，對斜交于柱的梁布置方式進行優化，使梁筋斜交位置避開梁柱節點區域，避免了多排縱筋穿疊合柱內鋼管，簡化了施工（見圖7）。

圖7　梁柱節點設計優化

框架縱筋采用高強鋼筋HRB500替代常規HRB400，同等承載力減少了鋼筋數量、排數，有利于框架穿疊合柱節點的施工。

結構嵌固層設于負3層，為進一步加強疊合柱內鋼管的錨固，疊合柱柱腳錨固于大直徑嵌巖樁中，柱內鋼管埋入基礎2m。柱腳大樣見圖8。

圖8　疊合柱柱腳錨固大樣

4　核心筒連大開洞的設計

核心筒外墻連為核心筒重要構件，一般不宜開洞。但核心筒為設備專業重要的管道走廊，分布密集，全部從梁下走也將導致凈高不夠，嚴重影響使用功能須在凈跨3.9m、截面高度1.8m高的連梁上開1.5m寬0.6m高的大洞口。需要審慎的處理連上的開洞，仔細分析并合理加強，確保開洞連的性能。一般情況對開洞連可簡化為雙連處理，即取兩倍梁截面寬度，一倍開洞后剩余截面高度的一半高度輸入計算模型進行等效。但由于本工程為超高層建筑，結構側向剛度是超過層建筑的主要控制因素，而連是影響整體結構側向剛度較敏感構件。為較準確反映開洞連的實際剛度，對開洞連采用有限元軟件ANSYS進行了細部分析，目的是找到等剛度的矩形非開洞連進行模擬：模型采用實體單元建模，實體單元采用了用來模擬鋼筋混凝土的solid65單元。模型簡化如下：（1）墻體范圍取值：取標準層筒體北側整片外墻。（2）力學模型簡化：外墻采用底部固結，頂部用X向節點耦合，通過對比在X向施加單位位移所需要的節點力，得到該模型的側移剛度（見圖9）。

圖9　核心筒連大開洞設計模型簡化圖

通過試算，把開洞連等效為厚度一致高度為1000mm沒有洞口的普通連，墻體側向剛度相同。確保了開洞連在整體模型中能較準確的進行等效分析。

根據力學分析結合有限元細分模型分析結果對開洞連配筋進行加強。參考彈塑性時程分析結果，在大震下等效連進入塑性的程度較低，設計時可以主要參考彈性設計的結果然進行配筋。根據概念設計通過提高箍筋配筋率、減小鋼筋間距、提高洞口附加縱筋配筋率等措施加強連延性（見圖10）。

圖10　核心筒外墻剪力墻連梁開洞等效模型分析及補強大樣

5　結構方案優化設計

5.1伸臂桁架方案對比及優化

框架-核心筒結構加強層伸臂桁架設置及分析是超高層建筑結構設計的重要內容。伸臂桁架一方面可以較大提高結構抗側剛度，另一方面由于伸臂存在也導致了伸臂附近筒體和外框柱剛度和承載力的突變，形成相對薄弱部位。需要針對特定的建筑考察伸臂的具體效果。通過4個不同伸臂位置及數量模型（伸臂均設置于避難層），對不同伸臂桁架方案進行了主要參數計算對比，見表2。

表1　耦合節點表

表2　伸臂桁架方案對比分析表

外框架柱距離核心筒跨距低區9m，相比較而言，屬于中等偏小的跨距，加之中高區逐漸內收，到高區內筒和外框架柱間跨度減小至僅7m左右。本身外框架與核心筒形成較強剛度。計算分析伸臂桁架對整體結構剛度、位移、周期及穩定性的貢獻效果總體來說不顯著，若設置伸臂將導致結構豎向剛度及承載力明顯突變，出現相對薄弱部位，設置伸臂桁架弊大于利。綜合各因素選擇了無伸臂桁架的結構方案。

5.2加強層水平環桁架方案對比

水平環桁架可以協調外框相鄰柱的內力差，輔助伸臂協調加強層變形，但是否需設置環桁架需根據對比分析結果確定［2］。

通過2個模型，對不同伸臂桁架方案進行了對比，見圖11、表3。

表3　伸臂敏感性分析表

圖11　腰桁架對比分析

腰桁架對剛度貢獻不顯著，對外圍豎向構件協調變形的貢獻也不顯著，僅對相鄰局部樓層有影響。由于腰桁架增大了加強層的剛度，加劇豎向剛度突變，在各指標均滿足要且效果不是很明顯的情況下，腰桁架能不設盡量不設，故不設腰桁架。

5.3帽桁架試分析

設置在結構頂部的帽桁架可以提高結構整體性，協調內外結構的變形差，但對于本結構是否需設計帽桁架需通過對比計算分析。

從表4可以看出，設置帽桁架對于結構整體剛度的提高以及風荷載下層間位移角的控制作用有限，對框架彎矩的影響也不是十分顯著。因此最終結構選擇了無帽桁架的體系（見表4）。

表4　是否設帽桁架對比表

6　高強材料運用及經濟性分析

由于超高層建筑特性，結構自重占超高層總重量比重很大，本工程結構自重占建筑總重量超過85%，采用高強材料，提高單位重量的強度，將更加有助于提高結構性能、提供更多的使用空間。

混凝土最高強度采用高強混凝土C60，使用部位主要為底部墻、柱、疊合柱（根據規范使用超過C60強度混凝土軸壓比限值將打折，而且混凝土脆性更強，需要更多側向鋼筋確保延性。所以從經濟性及結構性能角度，并未使用更高強度的混凝土）。

鋼材采用Q345，使用部位主要為疊合柱內鋼管、剪力墻內鋼管及宴會廳大跨屋頂承重結構。

梁柱縱向受力鋼筋采用HRB500。對比塔樓、裙房梁柱采用HRB500鋼筋與HRB400鋼筋用量結果見表5。

表5　高強鋼筋經濟指標對比表

使用HRB500將比使用HRB400節約588噸鋼材，材料節約比例13%。考慮HRB500比HRB400單價高5%左右，鋼筋造價節約8%左右。

塔樓外框柱采用疊合柱，底部采用截面1600mm x1600mm，鋼管Φ1200x30，疊合柱承載能力等同2400mm x2400mm截面鋼筋混凝土柱，截面面積減小了54%，提供了更大的使用面積，同時減小了材料用量。

7　結論

天和國際中心已通過主體結構驗收，即將投入使用，各分項評定、感官質量均達到了預期設計要求，其設計、施工中取得的經驗可供其他類似工程參考。

［1］林立巖，李慶鋼.鋼管混凝土疊合柱的設計概念與技術經濟分析［J］.建筑結構，2008，38（3）：18-21.

［2］楊克家，梁興文，李波.帶加強層超高層結構受力性能研究及設計建議［J］.建筑結構，2008，38（2）：111-115.

［3］徐培福，傅學怡.復雜高層建筑結構設計［M］.北京：中國建筑工業出版社，2005.

［4］中國工程建設標準化協會.CECS 188：2005鋼管混凝土疊合柱結構技術規程［S］.北京：中國計劃出版社，2005.

［5］錢佳茹，周棟，方曉丹.鋼管混凝土柱-RC環節點及其應用［J］.建筑結構，2003，33（9）：60-62.

責任編輯：孫蘇

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（摘自：新華網）

StructuralDesign OFTianhe International Center

Tianhe International Center，w ith the structural heightof 297m，is one over B lever heightof the code，with structural system of frame-tube，steel tube-reinforced concrete column and reinforced concrete beam and core tube.Combinedw ith architectural features，the structuralscheme isselected through analysisand comparison.Issuesofsteel tube-reinforced concrete column and beam jointstructure，core tube coupling beamsw ith large openingsand the special nodesof the steel tube-reinforced concrete column and multibeams intersectare tackled.The adoption of high strengthmaterials bringseconomic benefits

super high-rise building design；beam column joints of steel tube-reinforced concrete column；core tube coupling beamsw ith large openings；application of high strength steelbar

TU 528.2

A

1671-9107（2015）10-0029-06

2015-08-07

周含川（1977-），男，云南昭通人，研究生，高級工程師，主要從事高層結構設計。