超高層建筑鋼混結構節點綜合應用技術

孫為，謝志濤，李堂

（中國建筑第八工程局有限公司，上海 200120）

1 工程概況

某工程項目包括1 棟129.95 m 高的塔樓、3 棟99.95 m高的辦公塔樓，原有工業廠房改建為21.65 m 高的工藝會展中心，分別為1#、2#、3#、4#、5#樓，共有5 個綜合體，連接1#、2#樓的是高99.9 m（下凈高85 m）的空中連廊。

1）1#樓地上結構為30 層的核心筒-鋼框架結構，建筑高度為129.95 m，標準層層高為4.25 m。核心筒鋼結構主要由1~4 層中15 根H 型鋼勁性柱組成。外框鋼結構主要由內混凝土箱型鋼柱以及H 型鋼梁組成，箱型柱合計20 根。

2）2#、3#、4#樓地上結構為22 層的核心筒-鋼框架結構，建筑高度為99.95 m，標準層層高為4.25 m。核心筒鋼結構主要由1~4 層中15 根H 型鋼勁性柱組成。外框鋼結構主要由內混凝土箱型鋼柱及H 型鋼梁組成，箱型柱合計18 根。

2 33 種結構的特點

2.1 核心筒勁性柱結構

核心筒勁性柱是以型鋼柱（軋制型鋼或焊接型鋼）周圍配置鋼筋并澆筑混凝土的埋入式組合構件形成的結構體系。由于它兼有鋼結構的延性和鋼筋混凝土結構的耐火性，具有承載能力高、整體剛度好、節省維護費用等優點，特別適用于高烈度地震區的工業和民用建筑及高層建筑，使建筑物既有較大的可利用空間，又有很強的抗震性能。而由于核心筒勁性柱充分發揮了鋼與混凝土兩種材料的特點，具有截面尺寸小、自重輕、延性好以及優越的技術經濟指標等特點，在高層或超高層建筑中采用勁性柱,可以大大減小柱的截面尺寸，顯著改善結構的抗震性能。而從建造施工方面分析，其主要問題有：

1）型鋼柱吊裝完成后，會對外包鋼筋綁扎安裝及混凝土澆筑帶來很大的不便，特別是在澆筑混凝土時，操作工人在實際操作中往往是從型鋼柱的單側澆筑混凝土，較易導致型鋼柱另外兩側或三側混凝土分層離析；另一方面，埋入式型鋼柱的栓釘和箍筋較多，振動棒插入較難，容易造成混凝土骨料不密實。對于此類問題，需要調整混凝土配合比技術參數，使混凝土強度滿足規范及設計要求，但由于混凝土和易性差，強度不均勻，還會導致結構整體承載力降低。

2）核心筒中的型鋼與混凝土屬于兩種不同材料，在溫度應力作用下其收縮變形有較大的差異。正是由于兩種材料收縮能力不同，導致型鋼與混凝土之間容易形成因收縮造成的細小裂縫。在超聲波檢測過程中表現出波幅衰減較大的現象，工程質量不易控制。

3）勁性柱施工一般需要在鋼結構安裝校正完畢后進行，致使施工周期增加。

2.2 混凝土鋼箱柱

混凝土鋼箱柱是指在鋼箱柱中填充混凝土而形成的結構構件，且鋼柱及其核心混凝土能共同承受外荷載作用，按截面形式不同，可分為圓鋼管柱混凝土，方形、箱形鋼柱混凝土和多邊形鋼柱混凝土等。混凝土鋼箱柱結構的迅速發展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具體表現為以下幾個方面。

2.2.1 承載力高且延性好抗震性能優越

鋼箱柱混凝土柱中，鋼箱柱對其內部混凝土的約束作用使混凝土處于三向受壓狀態，提高了混凝土的抗壓強度。鋼箱柱內部的混凝土又可以有效防止鋼箱柱發生局部屈服。研究表明，鋼箱柱混凝土柱的承載力高于相應的鋼箱柱承載力和混凝土柱承載力之和。鋼箱柱和混凝土之間的相互作用使鋼箱柱內部混凝土的破壞由脆性破壞轉變為塑性破壞，構件的延性明顯增強，耗能能力大大提高，具有優越的抗震性能。

鋼箱柱混凝土構件比鋼筋混凝土構件的抗震性能強。在一些建筑中，純鋼柱需要采用厚度較大的鋼板以確保局部穩定性，但仍會在發生塑性彎曲后喪失結構穩定性。因此，鋼箱柱混凝土柱的抗震性能也優于純鋼柱。

2.2.2 施工方便，工期短

鋼箱柱混凝土結構施工時，鋼箱柱可以作為框架骨架承擔施工階段的施工荷載和結構重量，施工不受混凝土養護時間的影響；由于鋼箱柱混凝土內部沒有鋼筋，便于混凝土澆筑和搗實；鋼箱柱混凝土結構施工時，不需要模板，既節省了支模、拆模的材料和人工費用，也節省了施工時間。

2.2.3 結構耐火、防火性能及耐腐蝕性能顯著提高

由于鋼箱柱內填有混凝土，具有較強的耐火能力，可減慢鋼柱的破壞速度，并且一旦鋼柱屈服，混凝土可以承受大部分荷載，防止結構倒塌。

鋼箱柱中澆筑混凝土使鋼箱柱的外露面積減少，從而使結構受外界氣體腐蝕的面積減少，延長了鋼箱柱的自然使用壽命，并且大幅度降低了鋼箱柱抗腐和防腐所需費用。而從建造施工方面分析，其主要問題有：

1）鋼箱柱施工完成后，其施工質量很難采用超聲波進行檢測，國內同類工程都存在著同樣的問題。原因是混凝土收縮后，會在鋼箱柱內壁與混凝土之間產生微裂縫，影響檢測結果。

2）為保證管內混凝土施工質量，采用非常規混凝土材料，需采集大量混凝土配合比施工方案試驗數據，同時還需進行破壞性試驗，具體分析是使用自密實混凝土（主要是增加其流動性）、高拋混凝土（增加混凝土稠度，防止離析）還是普通混凝土。

3）鋼箱柱需要在廠家加工制作而成，隨著建筑物高度的增加，鋼箱柱的壁厚會越來越厚，而且不易彎曲成型，因此，鋼箱柱一般用于高度≤360 m 的超高層建筑中。

4）鋼箱柱外包鋼材直接暴露在外部環境中，其防腐防火要求比較高，投入大。

2.3 鋼混結構連接節點

2.3.1 鋼混結構的節點

一般包含以下幾種結構：

1）箱型柱：外包鋼結構，內側為素混凝土或者鋼筋混凝土，外形常為箱形、圓形；

2）勁性柱：內側為工字鋼、H 型鋼等，外包鋼筋混凝土；3）鋼筋混凝土梁：采用鋼筋和混凝土梁作為主要的水平受力結構與柱子連接；

4）鋼梁：采用鋼梁與柱子連接；

5）勁性梁：內側為H 型鋼或者工字鋼，外包鋼筋混凝土作為水平受力構件與柱子連接。

6）核心筒框架：采用由勁性柱和混凝土剪力墻、樓板組成的中央結構體系。

2.3.2 結構節點組合

在常見的施工中，一般對以上結構節點做如下組合：箱型柱+ 鋼筋混凝土梁；箱型柱+ 鋼梁；箱型柱+ 勁性梁；箱型柱+鋼梁;勁性柱+鋼筋混凝土梁；勁性柱+鋼梁；核心筒混凝土剪力墻化學植筋+外框樓板鋼筋。

2.3.3 鋼混結構梁柱節點構造及施工應注意的問題

1）節點構造不應太復雜。節點設計要盡可能通俗易懂，方便施工人員進行現場定位和安裝。此外，節點設計還應考慮加工廠的工藝水平。

2）注意構造細節。節點應具有足夠的延性和韌性；節點設計必須考慮安裝螺栓、現場焊接等施工空間及構件吊裝順序等。

3）梁柱節點不同，混凝土強度等級均按先柱后梁的次序澆搗，也會有少數樓層在梁柱節點處高低強度等級混凝土交界面附近出現微細裂縫。

4）鋼混節點處，鋼板與混凝土屬于兩種不同材料，在溫度應力作用下其收縮變形有較大差異，正是由于兩種材料收縮能力不同，導致鋼板與混凝土之間容易形成因收縮造成的細小裂縫。

3 3 種結構在同一超高層建筑中綜合應用的關鍵點

本項目整體施工順序是核心筒勁性柱結構→外混凝土鋼箱柱框架結構→樓層板施工，按照核心筒鋼骨柱領先核心筒混凝土2~3 層，核心筒結構領先筒外鋼箱柱5~6 層、鋼箱柱領先組合樓板混凝土4~5 層、外鋼框梁領先樓板混凝土2~3 層的節奏，外框鋼結構安裝標準層按8 d/層的節奏進行施工。各工序銜接期間穿插進行核心筒爬架和塔吊的爬升作業，以滿足結構施工需要。保證施工質量的關鍵點如下：

1）核心筒部分采用勁性柱混凝土結構。核心筒先施工，外架采用爬架，同時配置兩層外架作業平臺[1]。核心筒結構位于建筑體系中央，為其他結構（外框結構、電梯、爬架、塔吊）提供受力附著點，所以，核心筒的施工進度決定了整個項目的施工進度。

2）核心筒鋼骨柱應提前在加工廠制作，保證施工現場預備二層的鋼骨柱。鋼骨柱安裝及校正工序安排成熟的施工班組，安裝前準備好相應的吊耳和爬梯，高效有序地完成安裝作業，并且保證鋼柱精度及焊縫質量，杜絕二次校正和焊縫返修。

3）核心筒鋼骨柱鋼筋綁扎、模板支護、混凝土澆筑工作，應和鋼骨柱吊裝形成搭接施工，確定鋼筋立筋穿孔焊，鋼筋水平筋橫板焊，簡化了施工工序，加快了施工進度，加強了質量控制。

4）核心筒外混凝土鋼箱柱框架結構采用鋼結構框架先行，內灌混凝土隨后。鋼箱柱具有鋼筋承載功能，兼有縱向鋼筋和橫向箍筋作用，所以，柱內不設置鋼筋，省了鋼筋下料和綁扎鋼筋等一系列工序，而且鋼箱柱本身就耐側壓及上壓，同時也節省了支模和拆模等工序[2]。鋼框架結構足以形成豎向承載力，可以跟著核心筒持續施工；鋼框架構件應提前在加工廠制作，保證施工現場預備二層的鋼構件。

5）核心筒外混凝土鋼箱柱框架結構與核心筒剪力墻連接節點采用預埋鋼板，在核心筒剪力墻鋼筋綁扎過程中埋入鋼板，保證預埋鋼板的施工精度，保證鋼板錨筋長度和搭接質量，也就保證了外鋼框架的施工質量和整體承載力。

6）核心筒外混凝土鋼箱柱向上施工，必須保證下一層鋼梁已安裝完成，鋼梁要隨著鋼箱柱持續進行，每2~4 根鋼柱之間都要形成框架結構，方能進行后續鋼柱安裝；每一層結構形成整體框架，方能進行上一層鋼箱柱的安裝；避免超裝、斜裝、不帶節點緊固板安裝。

7）核心筒外混凝土鋼箱柱在持續施工過程中，為了保證內灌混凝土工序不影響鋼框架豎向施工節奏，所有管柱側面開設臨時灌注孔，臨時灌注孔孔徑通常約為20 cm，便于混凝土泵從側面自上而下灌注混凝土，灌注進度不僅快，還能保證澆灌質量。

8）核心筒外混凝土鋼箱柱梁節點安裝采用焊接和高強螺栓連接，為了保證施工連續性和保護高強螺栓不受破壞，節點安裝預先采用安裝螺栓，每個節點保證4~6 個安裝螺栓連接；柱梁安裝形成區域框架后，校正班組盡快完成校正，并逐步更換成高強螺栓，既加快了施工進度，又提高了柱梁節點質量。

4 結語

通過對核心筒勁性柱和混凝土鋼箱柱以及鋼混連接節點三者綜合應用技術的不斷完善、總結、提升，不僅能滿足工程本身進度和質量要求，節約大量施工成本，還能帶動當地的經濟發展，社會效益明顯。另外，從勁性柱及混凝土鋼箱柱吊裝、校正，模板安拆及混凝土澆筑方面均采用了可靠的科學技術進行管理，達到工期短、質量好的目標，有利于施工安全，解決了傳統施工方法中難以解決的問題，大大減輕了勞動強度，勞動效率顯著提高,經濟效益十分優厚。