C80混凝土在超高层钢筋混凝土偏筒结构中的应用_吕坚锋.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，从而简化施工并提高节点可靠性。为避免“酒杯形”型钢开口处在运输及安装阶段变形过大，在开口处增设构造缀条（厚10 mm，宽100 mm，间距2 000 mm）进行构造加强，如图5所示。5C80混凝土工艺试验及现场施工5.1C80混凝土工艺试验5.1.1试验目的（1）验证用于本项目的C80混凝土配合比是否可以达到设计的混凝土强度等级。图4型钢柱梁柱节点大样Fig.4Detail of Joint of SRC Column（mm）十字形酒杯形径向框梁边框梁不足时弯折锚固，水平段0.4LaE，向下（上）弯折段15 d500500梁纵筋具备拉通条件时拉通径向框梁连接钢板一排钢筋焊于连接钢板上方二排钢筋焊于连接钢板下方三排钢筋采用套筒与型钢翼缘直接焊接双面焊边框梁不足时弯折锚固，水平段0.4LaE，向下（上）弯折段15 d500t=25110500梁纵筋具备拉通条件时拉通表1典型外框柱截面方案对比Tab.1Scheme Comparison of Typical Column Section楼层B54591014151920252630313536404146方案1（B531层C80，其余C60）1 4002 000/6.0%1 4002 000/4.2%1 4002 0001 3002 0001 1001 9001 0001 9001 0001 6008001 6008001 200方案2（全楼C60，优先控制截面）1 4002 000/7.5%1 4002 000/6.0%1 4002 000/4.0%1 3002 000/4.0%1 1001 900/4.0%1 0001 900/4.0%1 0001 6008001 6008001 200方案3（全楼C60，优先减少型钢）1 4002 300/6.0%1 4002 300/4.0%1 4002 3001 3002 3001 1002 2001 1002 0001 0001 6008001 6008001 200注：“/”后为型钢含钢率（Q420GJ）。楼层混凝土用量/m3型钢用量/t混凝土成本/万元型钢成本/万元外框柱总成本/万元方案16 2871 1983141 0791 393方案26 1442 3153072 0842 391方案37 0651 3073531 1771 530表2外框柱成本对比Tab.2Cost Comparison of Column钢号型钢用量/t材料成本/万元Q3451 184.7560.4Q390GJ1 010.5495.1Q420GJ928.5464.3表3外框柱采用不同强度钢材成本对比Tab.3Cost Comparison of Column on Different Steel Class注：Q345、Q390GJ、Q420GJ钢材单价分别为4 730元/t、4 900元/t、5 000元/t计算（均为纯材料成本，不含加工费、运输费等）。44KZ1200650KZ1/170020001525200650200800100065020080010006501525600650650200800800缀条（Q345B）厚10，宽100，间距2 00014100箍筋KZ2/100016008251025纵筋 共32251000纵筋 共58251600首层至四层：t=70mmKZ2图5试验构件设计配筋及型钢截面Fig.5Design Reinforcement and Sectionof Test Member（mm）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（2）验证C80混凝土型钢柱实际浇筑的密实度和平整度是否满足工程需求。（3）验证C80混凝土高空泵送是否可行，并确定可泵送的极限高度。（4）发现C80混凝土浇筑时其它可能存在的施工问题，为正式浇筑提供经验。5.1.2试验内容选取本项目塔楼两个代表性外框柱（KZ1：1700mm2 000 mm，KZ2：1 000 mm1 600 mm）作为本次工艺试验的研究对象，试验构件高度按标准层层高4.5 m取值，构件内型钢按实际工程截面及节点构造加工，柱内钢筋按实配，按1 1的比例进行现场浇筑试验，试验构件数两种外框柱各1个，共2个。试验构件的设计配筋及型钢截面如图5所示，柱内型钢实际设计为 Q420GJC，本试验侧重混凝土工艺，试验构件型钢采用Q235替换，但钢板厚度与设计相同。试验构件立面及典型截面如图 6 所示，构件4个角部埋设声测管，用于测量内部混凝土浇筑密实度；中心处布置一系列测温点，沿高度1个/m。5.1.3试验方案按上述构件尺寸要求，制作1 1型钢，现场安装完毕后绑扎钢筋，并预留声测管及测温点。完成支模后现场浇筑C80混凝土，浇筑3 d后拆除模板。混凝土浇筑管长度按100 m（相当于约22层）浇筑高度预留，并在地面平放后设多个弯折以模拟高空泵送的阻力。检测内容如下：温度：混凝土浇筑后7 d内监测内部混凝土温度发展过程。平整度及密实度：拆模后查看混凝土外观平整度及密实度。声测管：通过声测检查内部混凝土浇筑质量。混凝土强度：通过回弹、抽芯等方式对实际浇筑的C80混凝土强度进行检测。切割：所有试验内容完成后对构件进行切割，查看内部浇筑情况。考虑到配合比的不确定性，两个试验柱采用了两种不同混凝土配合比方案，分别由两家不同的搅拌站提供C80商品混凝土。试验柱KZ1（1 700 mm2 000 mm，内含钢骨）采用配合比方案1，试验柱KZ2（1 000 mm1 600 mm，内无钢骨）采用配合比方案2，两个试件共用一个柱墩，柱墩混凝土采用配合比2。5.1.4试验结果 试验过程概述第一天 23 时左右混凝土浇筑完成，如图 7所示，之后每天进行温度测量；第三天16时左右拆模并观察表面裂缝情况，拆模之后马上裹土工布保温保湿养护，并覆盖塑料薄膜包裹；养护7 d后，外表养护覆盖拆除，如图7所示；14 d后进行绳锯切割，查看内部混凝土浇筑密实度及裂缝发展情况。浇筑质量及裂缝试验柱KZ1（配合比1）浇筑混凝土时混凝土和易性较好，泵送顺畅；拆模后柱子表面出现不同程度的细小裂缝，纵横向均有，其中北面、东面较为严重，西面、南面裂缝较少；绳锯切割后，内切面密实，基本无贯通裂缝、气泡出现，如图8所示。试验柱KZ2（配合比2）浇筑混凝土时混凝土和易性相对较差，现场一度出现混凝土堵管的情况；拆模后图6试验柱构造Fig.6Test Column Structure（mm）1-11型钢横隔板试验柱钢筋混凝土底座柱宽C80135006006001000600角部4根声测管中部设测温点沿高度1个/mD200过浆孔横隔板2008501000t=201000800200650800200650 200850图7工艺试验Fig.7Process Testing浇筑混凝土拆模45柱子表面外观情况较好，无裂缝出现；绳锯切割后，内切面无贯通裂缝出现，但有较多气泡出现，如图8所示。试件中心温度试验柱中心温度随时间的发展过程如图9所示，混凝土浇筑后中心温度逐渐升高，在约70 h后达到峰值（KZ1最高75，KZ2最高82），之后逐渐降低，总体升温及降温规律与大体积混凝土升降温规律接近9；越靠近柱顶及柱底处相对温度越低，柱高中部温度最高（散热条件最差）。混凝土强度对两个试验柱及柱墩同条件养护及标准养护的混凝土试块分别进行检测，结果汇总如表4所示。对于配合比1（KZ1），第三天混凝土强度达到平均约 91.196.1 MPa，第七天混凝土强度达到平均约102.8110.7 MPa，标准养护条件下强度略低于同条件养护结果。对于配合比2（KZ2及柱墩），第二天混凝土强度达到平均约86.798.4 MPa，第九天混凝土强度达到平均约94.4102.3 MPa，第十五天混凝土强度达到平均约108.0111.3 MPa，标准养护条件下强度略低于同条件养护结果。在同等条件下，配合比1的试块强度要高于配合比2，且其数据离散性更小。但两种配合比均可满足C80的设计强度要求。5.2C80混凝土现场施工根据C80混凝土现场工艺试验的结果，综合考虑混凝土和易性、实测强度及离散性、裂缝发展情况等，实际项目中采用配合比1实施，并进一步改进施工及养护方案。最终塔楼外框柱31层及以下楼层全部采用C80，成为广州东首个实现130 m超高大体量C80混凝土泵送施工工艺的项目，C80混凝土累计浇筑体积达到1.1万m3。5.3C130混凝土现场施工在C80混凝土成功应用的基础上，为了探索更高强度混凝土在实体工程中的应用，本项目相关多家单位联合成立了C130超高强混凝土研发应用小组，从设计配合比、生产运输、现场超高泵送、混凝土强度标定等方面对C130超高强混凝土进行了研究及实际应用。最终成功将C130超高强高性能机制砂混凝土泵送和应用于C1塔楼220 m标高的多根钢筋混凝土框架柱，抗压强度达149.5 MPa，为C80以上超高强混凝土的研发和应用积累了宝贵的经验10。6结论 针对钢筋混凝土框架-核心筒（偏筒）结构，通过设置合理的剪力墙布置及厚度，适当加强外圈边框梁，有效控制偏筒引起的塔楼扭转偏大问题。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，为结构施工找平及结构变形对设备、幕墙安装的影响提供参考。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，在结构经济性和建筑品质两者之间做好平衡。广东土木与建筑JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期图8绳锯切割断面Fig.8Cut Section of the ColumnsKZ1KZ2图9试件中心温度发展曲线Fig.9Central Temperature Development Curve ofTest ColumnsKZ1KZ220100浇筑后时间/h试件中心温度/标高0.2 m30604050607080140180标高1.0 m标高2.0 m标高4.0 m标高3.0 m20100浇筑后时间/h试件中心温度/标高0.2 m30604050607080140180标高1.0 m标高2.0 m标高4.0 m标高3.0 m90表4混凝土试块强度Tab.4Strength of Concrete Test Block（MPa）试件编号/配合比KZ1/配合比1KZ2/配合比2柱墩/配合比2试块编号-123平均-123平均-123平均同条件养护3 d99.595.993.096.12 d90.089.982.587.52 d98.798.498.198.47 d114.6114.5102.8110.79 d95.8109.093.199.39 d105.395.9105.7102.3-15 d114.9104.7114.9111.3标准养护3 d94.489.489.791.12 d93.379.787.086.72 d95.491.995.594.37 d106.6102.999.0102.89 d93.2101.4107.6100.79 d95.091.197.294.4-15 d111.3103.6109.0108.0（下转第56页）46况。针对场地狭长、地层淤泥深厚，大型施工机械较难适应本工程的特点，结合各单体建筑造型以及功能要求，下部混凝土采用框架结构、预制看台板体系，屋盖钢结采用了索穹顶、单层索网、轮辐式双层索网以及张弦梁等索承结构体系。体育场采用8个巨型格构柱为屋盖整体结构提供必要的抗扭刚度和侧向刚度；体育馆、训练馆以及游泳馆采用沿屋盖周边布置V型柱，形成一个闭合的整体结构，为结构提供较大的抗扭刚度和满足 钢结构设计标准：GB 500172017 要求的抗侧刚度。根据建筑外形及功能要求，本工程采用了多种形式的索承结构体系，经综合分析，达到了安全适用、技术先进、经济合理、美观以及高效的材料利用率的目标，为大跨度索承结构体系在强台风地区的应用起到了一定的推动作用。参考文献1 建筑抗震设计规范：GB 500112010 S.北京：中国建筑工业出版社，2010.2傅剑波，区彤，陈星，等.广州新白云国际机场 T2 航站楼混凝土结构设计 J.建筑结构，2016，46（21）：59-63.3孙文波，周伟坚.多层转换桁架体系在某大跨度钢结构工程中的应用 J.广东土木与建筑，2021，2（28）：25-29.4陈进于，李东强，傅剑波，等.肇庆新区体育体育中心结构设计 J.建筑结构，2016，46（21）：70-74.5闫翔宇，马青，陈志华，等.天津理工大学体育馆复合式索穹顶结构分析与设计 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