超高层框架核心筒体系劲性结构节点深化研究

凌泽高 史秀军

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

框架-核心筒结构，由外围梁柱构件构成的框架和中间剪力墙筒体组成，二者共同作用，形成框架-核心筒结构受力体系。框架-核心筒结构主要依靠中间部分剪力墙筒体提供水平抗力，具有十分良好的侧向刚度，抗震性能优越，国内主流300 m高度范围的超高层建筑均采用框架-核心筒结构体系。

框架-核心筒结构体系按使用材料不同，通常分为钢筋混凝土框架-核心筒结构和框架-核心筒混合结构体系，二者区别在于水平构件的不同。钢筋混凝土框架-核心筒结构，外围框架柱之间、框架柱与核心筒之间均由钢筋混凝土梁连接，楼面采用现浇混凝土；框架-核心筒混合结构体系，外围框架柱之间、框架柱与核心筒之间的连接为工字钢梁，楼板多为压型钢板组合楼面。

1 工程概况

徐家汇中心位于上海徐家汇街道，东侧紧邻轨道交通11号线，轨道交通9号线横穿北侧。项目地上部分主要由T1塔楼、T2塔楼及7层附属酒店裙房组成；建筑主体地下部分共6层，基坑开挖深度超过30 m。徐家汇中心项目，是集商业、办公、餐饮和星级酒店于一体的城市综合体工程。

其中，T1塔楼共43层，建筑高度约220 m，其结构形式为框架-核心筒结构，由外围16根框架柱及核心筒组成，框架柱及剪力墙核心筒均采用型钢混凝土组合结构，楼层框架梁及楼面采用现浇钢筋混凝土。T1塔楼型钢柱钢骨截面自地表起，1—22层为十字形，22—33层为T字形， 33—38层为工字形（图1）。

2.解决问题拖拉造成纳税人不满。近年来税制改革步伐不断加快，在提高营商环境的大背景下对税务部门(特别是基层税务机关)的要求也越来越高。但与此同时，事往基层压、人往机关走等行政机关当前的通病造成基层税务部门面临很大的压力。青年且有能力的税务干部往往被上级抽调、借调，基层从事管理执法的干部年龄和知识老化，思维固化，对新的税收政策和业务知识接受能力不强，熟悉和掌握的速度不够快，对企业咨询的问题未能准确解答，对企业申请的事项未能及时解决，造成纳税人不满，容易产生被投诉风险。

图1 T1塔楼结构平面示意

T2塔楼共70层，建筑高度约370 m，结构形式与T1塔楼相同，同为框架-核心筒结构，其框架柱及剪力墙核心筒均采用型钢混凝土组合结构，区别在于T2塔楼楼层框架梁、次梁均为工字钢梁，楼面为压型钢板组合楼面。T2塔楼型钢柱钢骨截面，地下6—28层为十字形，28层以上均为T字形（图2）。

图2 T2塔楼结构平面示意

2 2种型钢混凝土组合结构深化设计上的难点分析和对比

2.1 T1塔楼梁柱节点深化设计难点

T1塔楼梁柱节点为型钢混凝土柱-混凝土梁的连接，深化的主要对象是梁纵向受力钢筋，由于柱内钢骨阻挡梁钢筋，大部分梁钢筋无法满足锚固长度需求，因此其深化核心思路以梁为主，以柱为辅，主要难点如下：

1）大直径钢筋密集，弯折、避让困难。在塔楼部分中，主梁钢筋直径多以40 mm大直径钢筋为主，大直径钢筋现场弯折比较困难，尤其是在钢筋密集、空间狭小的节点核心区内，满足保护层要求前提下，钢筋平面弯折排布、与柱筋相互避让，立面各梁之间多层钢筋分层排布，综合之下，深化比较困难。

2）梁柱夹角多样。一般工程中，型钢混凝土柱与混凝土梁均相互垂直，钢筋进入节点核心区与钢骨的碰撞情况基本相同，且横平竖直的条件使得钢筋排布较为简单。在本工程中，绝大部分梁柱节点的梁柱夹角在0～90°不等分布，每个节点深化的情况均不相同，部分梁柱夹角过大使得钢筋按照常规措施无法满足连接要求。

3）框架柱存在不同程度倾斜，机械套筒定位烦琐、困难，定位精度要求高。T1塔楼26—38层的各楼层均有部分型钢混凝土柱倾斜的情况，当涉及斜柱部分的深化，需结合梁柱平面布置、剖面竖向分布等，涉及机械套筒三维空间定位。

2.2 T2塔楼深化梁柱节点深化设计难点

T2塔楼深化梁柱节点为型钢混凝土柱-工字钢梁，柱纵筋被钢梁上下翼缘截断，柱箍筋被钢梁腹板截断，因此深化核心思路是以柱为主，箍筋为辅，深化设计的主要难点如下：

斜柱节点需手动调整钢梁定位，变动量大，耗费时间长。斜柱节点中，钢梁下翼缘与柱钢骨连接时，钢梁下翼缘超出柱钢骨翼缘范围，此时需反方向移动钢梁与柱钢骨连接定位点，保证钢梁上下翼缘均在钢骨翼缘范围内。T2塔楼30层以上，斜柱占比接近90%，大量工字钢梁定位变动大，影响深化效率。

3 型钢混凝土组合结构节点深化基本原则

T1塔楼与T2塔楼虽同为框架-核心筒结构体系，但T1塔楼深化梁柱节点为型钢混凝土柱-混凝土梁，T2塔楼深化梁柱节点为型钢混凝土柱-工字钢梁，2种结构材料的不同导致深化原则存在很大差异。

3.1 型钢混凝土柱-混凝土梁节点深化基本原则

1）钢筋锚固。按《混凝土结构设计规范》规定，满足受拉钢筋抗震锚固长度laE的优先直锚，直锚长度不足情况下进行弯锚，并满足弯锚水平段长度大于0.4laE，竖直段大于15d（d为梁纵向受力钢筋直径）。

2）钢筋代换和T形梁。T形梁运用于梁顶钢筋，处理方法是将第2排钢筋放入第1排中，保持原梁截面不变，多出的钢筋放入楼板中，按钢筋间距重新排列成1排，形成T形梁。当主梁梁底纵向受力钢筋排布困难时，与设计沟通确认后，可考虑等截面钢筋代换，使得钢筋排布更加符合现场情况。

3）钢筋1∶6弯折。型钢柱钢骨阻挡钢筋，梁纵向受力钢筋按1∶6斜率弯折避让钢骨，锚固长度仍需满足相应的设计要求。

4）型钢柱钢骨翼缘或腹板开孔供梁钢筋穿过。本工程中，若钢骨翼缘或腹板开孔，大直径钢筋的孔径使钢骨截面损失较大，经设计确认，不允许塔楼钢骨翼缘或腹板开孔，因此不采用钢骨开孔方式。

5）钢骨翼缘焊接机械连接套筒。本工程中，大部分梁纵向受力钢筋与钢骨翼缘并非垂直连接，而是呈一定角度。经施工现场、钢结构厂家与设计协商，当机械套筒与钢骨翼缘之间角度不超过30°时才允许使用，T1塔楼中很多梁柱夹角均不满足，因此机械套筒在本工程中具有很大局限性。

6）梁纵向受力钢筋与连接板焊接。当以上条件均不满足时，梁纵向受力钢筋可与连接板进行焊接来传力，并满足双面焊焊缝长度5d，焊缝长度要求连接板必须有足够尺寸供钢筋焊接。连接板仅能焊接1排钢筋，当梁钢筋为多排时，仍需连接板焊接和机械连接套筒合用，因此仍具有一定局限性。

7）外伸式套筒运用。外伸式套筒的构造是T形钢板加机械套筒，T形板焊接钢骨翼缘，外板垂直混凝土梁，机械套筒垂直焊接于外板上。外伸式套筒利用T形板解决单纯机械套筒角度限制问题，而T形板尺寸可以灵活调整，端版可焊接多个、多排机械套筒，腹板可灵活选择焊接至钢骨翼缘，以避让另一方向纵筋（图3）。

图3 典型型钢混凝土柱-混凝土梁节点深化示意

3.2 型钢混凝土柱-工字钢梁节点深化基本原则

型钢混凝土柱-工字钢梁节点相对于型钢混凝土柱-混凝土梁节点，工字钢梁替换为钢筋混凝土梁，只需考虑被钢梁截断的柱筋与箍筋。

1）根据钢梁截断柱筋位置，结合套筒边距要求，定位出所需机械套筒。当机械套筒与钢梁边界小于50 mm时，移动柱筋避开钢梁，不设机械套筒；当钢梁上仅设1个机械套筒时，移动套筒至钢梁腹板。

2）T2塔楼钢骨与工字钢梁定位原则：钢梁与型钢柱内钢骨连接定位为钢梁上翼缘中点与钢骨翼缘中点或钢骨腹板中点重合。当钢骨倾斜时，钢梁上翼缘与结构标高存在150 mm高差，过钢骨腹板与结构标高交点处做中垂线，中垂线与钢梁梁顶处水平标高线相交点即为钢梁与型钢柱钢骨连接定位点。

3）柱箍筋被钢梁腹板截断，箍筋直接焊接于套筒的加劲板上。此处的箍筋直接利用套筒加劲板传力，腹板上不开孔。

4 型钢混凝土组合结构节点深化关键技术

4.1 基于不同柱截面的型钢混凝土柱节点连接方式综合分析

外框柱由主梁连接形成闭合环形，按深化原则，除正常弯锚外，主筋只能一端使用机械套筒连接，另一端与加劲板焊接进行传力，或钢筋两端均为焊接连接。因此，对16个梁柱节点进行综合模拟分析，即在满足钢筋连接条件情况下，以减少钢筋焊接量、缩短工期为目的，得出梁柱节点区钢筋连接最优深化方案，这也正是本次深化的意义之一。

T1塔楼深化楼层范围内，钢骨共有十字形、T字形和工字形3种截面类型，以T字形截面为例进行分析。T1塔楼框架柱呈对称，以Z5～Z8共4根框架柱为1组作为代表，根据钢骨截面翼缘朝向和梁柱夹角条件得出如图4所示方案。对比发现，2种方案机械套筒使用数量、钢筋焊接量基本相同，图中三角形代表该处梁主筋与钢骨使用机械套筒连接，圆形为连接板焊接。经与现场沟通，方案2钢筋焊接集中，方便现场集中焊接某一节点，减少焊机等器械的搬动，最终选择方案2进行深化[1]。

图4 型钢混凝土组合结构节点连接方案

由方案2推定，其余节点按相同方式连接。最终，本工程T字形截面钢骨楼层整体节点连接方式均按图5所示的方式进行。

图5 节点连接方式整体方案

4.2 基于三维软件辅助的型钢混凝土柱节点深化

4.2.1 节点区钢筋碰撞及排布

斜柱节点中，柱钢筋随框架柱倾斜，而框架梁保持竖直与柱连接，不同梁高的梁顶平面和梁底平面、同一梁中多排钢筋与柱钢筋避让均不相同，同一节点内相互避让保持整体联动，调整某一根钢筋很可能会导致整个节点内钢筋重新排布。

使用传统二维图纸进行节点内钢筋排布时，只能单一针对某一平面，剖面图与平面图在部分问题上存在差异，且剖面图表达不全面，单独依靠二维图纸，缺乏整体联动，很难从整体上把握复杂节点钢筋排布情况。

从三维角度出发，利用三维整体可视化的优势，可以直观地进行节点区钢筋的排布。

首先无需依照设计图纸再次进行三维模型的建立，直接由计算模型导出整个塔楼钢骨三维模型，保证模型和图纸的一致性。三维模型中，需按照设计图纸进行柱钢筋和梁钢筋的建模，钢筋碰撞情况可直观观察，对钢筋进行调整和排布，直至满足要求。

4.2.2 辅助斜柱节点钢梁及机械套筒定位

基于三维软件进行辅助定位，按柱筋排列规律进行柱筋建模，在三维模型中直接对柱钢筋进行调整避让，完成后所需套筒的位置可以直接测量得到。三维模型中定位精准且方便，大大节省了在二维图纸中重复定位耗费的时间，提高了深化的准确性和效率。

在三维模型中进行深化，可以对该节点内钢筋的排布进行整体把握，当移动某一钢筋时，转动三维模型，即可从不同角度实时观察出不同平面的多排钢筋碰撞情况，一目了然，使深化工作变得简单、高效[2-3]。

4.3 柱箍筋多种阻断深化

1）箍筋被工字钢梁截断。节点核心区，柱箍筋被钢梁腹板截断，箍筋直接焊接于套筒加劲板上。此处箍筋直接利用套筒加劲板传力，无需另外腹板开孔。当套筒位于钢梁腹板处时，按深化原则不需要加劲板，此处增设一块厚10 mm连接板，供被打断箍筋焊接。

2）箍筋被双梁截断。箍筋被双梁截断处理方式与单梁情况相似，箍筋直接焊接于套筒加劲板上，被双梁隔断的中间部分间距较小，以加劲板及钢梁腹板承担内力，不另外设箍筋（图6）。

图6 节点区箍筋连接示意

3）阻尼器连接板对节点深化的影响。T2塔楼每隔10层设置1层阻尼器层，黏滞阻尼器钢支撑与梁柱节点区形成斜撑连接。连接节点板截断型钢柱内箍筋，若节点板均穿孔处理，则2排箍筋穿孔导致节点板截面面积损失过大；若增设2排加劲肋，加劲肋间距过小，2排箍筋现场焊接困难，同时施工时灌浆难度很大。

对此，本工程的处理方式具体如下：被截断内排箍筋，节点板开孔，按箍筋排布间距，每隔100 mm开直径20 mm孔，外排箍筋处则增设加劲肋，箍筋焊接至加劲肋上（图7）。

图7 阻尼器节点深化剖面

5 结语

本文以上海徐家汇中心项目为实例，介绍了型钢混凝土柱-混凝土梁和型钢混凝土柱-工字钢梁2种不同的梁柱节点深化原则、深化难点和关键技术措施。针对工程中出现的难点，创新性提出外伸式套筒作为连接，为工程实际提供了切实有效的解决方案。

同时，基于三维软件辅助，精准定位钢骨及钢梁位置，模拟节点钢筋实际排布，高效解决了斜柱节点中定位困难的问题。

深化过程中始终考虑施工便利性与工期进度因素的影响，确保了型钢混凝土组合结构的安全性与经济性，积累了宝贵的型钢混凝土组合结构深化经验，可为今后工程提供借鉴。