采用框架-核心筒混凝土结构设计实现了高度超过300m的超高层超限结构设计, 相对于传统意义上的框架-核心筒结构在设计上将有所区别。马来西亚四季酒店超高层项目外周设计为稀柱框架, 结构整体高宽比达11, 结构形式为“弯剪型”变形, 中间部位层间位移最大, 外框架结构的侧向刚度较弱, 通过在核心筒和外框架之间设置适宜刚度的构件翼缘墙+劲钢连梁 (fin wall+link beam) 连系核心筒与框架柱, 同时结合设备转换层在L34A和L50B分别设置混凝土环带墙, 加强外围框架角柱和腹板柱之间的连系。由于设备转换层混凝土环带墙施工存在诸多困难, 对工程进度影响巨大, 本文拟通过结构设计优化寻找解决途径。

四季酒店项目位于马来西亚吉隆坡, 毗临双子塔。主塔楼地下4层, 地上77层, 建筑总高度为342.5m。竖向抗侧力构件为框架柱+翼缘墙+混凝土核心筒, 翼缘墙与核心筒连系梁及核心筒外墙深弯梁内置焊接H型钢增强抗剪能力。主塔楼高宽比为11, 结构受力以弯曲变形为主, 由于建筑功能的限制及结构的需求设置2道加强层, 分别布置在0.5H和0.7H处 (H为结构总高度) 。本项目在L34A和L50B设计了RC环带墙, 如图1所示。

RC环带墙是超高层混凝土结构的一大特点, 基本作用在于:①加强结构外圈各竖向构件的连系, 加强结构的整体性;②自身刚度很大, 可以协调周圈柱间的竖向变形, 减少竖向变形差, 使竖向构件受力均匀;③减小剪力滞后, 使腹板 (角) 柱轴力增大 (各腹板 (角) 柱之间的拉、压应力分布更接近于平均) , 减少侧向位移;④RC环带墙与翼缘墙结合, 有利于减少框架柱与内筒的内力突变。

RC环带墙加强层与设备转换层位置重合, 为实现设备转换层机电设备的相关性能指标, 需要对外进行空气交换, RC环带墙上需要留置大量洞口, 而开洞的面积大小和位置对RC环带墙的详细设计提出了挑战。

L34A和L34B的层高分别为6m和5m。RC环带墙厚度为600mm, 与之匹配的楼层上下楼板厚度由标准层的210mm增加至400mm。墙板交界处设600mm×1 000mm的暗梁。墙体混凝土强度等级为C80。RC环带墙上配置斜腹600mm×1 400mm的混凝土暗梁满足机电空气交换外墙开洞的要求。

RC环带墙是连续且封闭 (局部墙体开洞) 的墙体, 确定RC环带墙混凝土强度等级和墙体截面尺寸后, 深化设计的难点在于钢筋的排布, 设计图给出了各立面的墙体配筋图, 采用F_y=500MPa的钢筋, 钢筋接头采用套筒连接, 端头最小锚固长度为500mm (见图2) 。

1) 墙体水平筋采用套筒连接, 洞口处断开;竖向筋直锚在梁内, 洞口处断开、墙体拉筋。

2) 斜腹混凝土暗梁受力钢筋交叉斜筋以及箍筋。墙厚600mm, 扣除墙体水平筋、竖向筋及钢筋保护层后, 暗梁受力钢筋笼的排布范围有限, 且暗梁端部锚固在梁柱节点处或外框梁转角处, 原设计要求斜筋在暗梁内的锚固长度要满足40d要求, 锚固空间不够。

3) 上下梁的纵筋及箍筋中间段采用套筒连接, 端部锚固在梁柱节点处或外框梁转角处。

对设计信息的分析可知:外框梁柱节点处和外框梁转角处存在柱纵向受力筋、柱箍筋、框梁主筋、2个方向的斜腹暗梁锚固筋。600mm的墙厚范围内除箍筋外存在11排钢筋 (楼层梁柱节点位置左右斜腹暗梁主筋各4排交叉锚固筋时不能重叠) , 钢筋间净距约14mm, 不能满足相关规范要求。

RC环带墙按正常钢筋、模板、混凝土的施工工序组织施工, 由于节点复杂, 钢筋绑扎将占用超长时间方能完成, 对于结构总工期紧张, 且前期结构施工已有较大延误的工程, 采取工序优化措施节约工期显得更关键。

为化解RC环带墙占用关键线路工期时间长的风险, 采用RC环带墙后施工的方法优化施工顺序。正常施工外框墙连柱及结构梁, 结构施工跨越RC环带墙加强层后, 上部结构正常施工, 适时进行RC环带墙后置施工跟进。墙钢筋在墙连柱和结构梁的相应位置留置钢筋预留套筒。

1) 留置套筒的数量巨大、预留套筒定位不准确, 尤其是交叉斜筋在上下梁的锚固位置需要按照一定角度预留, 预埋难度大。

2) RC环带墙外侧模板侧向支撑困难, 侧向支撑刚度不易保证。

3) RC环带墙混凝土要在L34B楼板以及墙体处预留浇筑口, 浇筑效率低, 混凝土振捣困难, 施工质量难以保证。

4) 增加RC环带墙施工外缘防护架。

5) 外幕墙为单元式玻璃幕墙, 无法跨越楼层安装施工, RC环带墙及时完工方可保障外幕墙正常安装进度。

综上, 无论采用正做还是后做均无法解决工期占用时间长、施工难度大的问题。

T40钢筋 (F_y=500MPa) 代换成T43高强钢筋 (F_y=690MPa) , 梁顶部水平钢筋净间距约为40mm, 非交叉区域接头采用套筒连接。

F_y=690MPa的钢筋无法弯折, 对应T43钢筋 (F_y=690MPa) 连接套筒外径为130mm, 造成连接节点区域钢筋排布无法满足钢筋净距的要求。且梁柱节点区域采用锚固件锚固也存在同样的问题, 造成节点区域比代换前更密集。且该规格的钢筋和套筒均需进口, 采购周期长, 约3个月。

综上, 高强钢筋代换不但存在技术缺陷, 还存在采购周期长、无法满足现场正常进度需求的问题。

初步优化识别出梁柱节点的受限截面尺寸和结构形式是优化的关键。

1) 探讨RC环带墙加厚和加高2个方案解决节点钢筋密集的问题, 优化后纳入整体模型进行分析。

2) 不改变RC环带墙位置范围, 将结构形式调整为环带桁架 (SRC truss) 并引入空斜腹钢结构支撑设计节点。调整斜腹钢支撑的刚度来弥补结构整体刚度的不足, 减少结构件的内力突变, 承担水平剪力。

3) 将优化后的局部方案纳入整体模型进行计算, 要核查其对上下部结构的影响。

位于L34A环带墙的高度由L34A 1层高度增加到L34A, L34B 2层高度, 结合墙体的开洞需要, 将结构模型简化为双层混凝土空腹桁架 (见图3) 。为分析环带墙高度的变化对整个建筑结构的影响, 建立三维有限元模型进行分析, 以保证将重力的竖向荷载和水平荷载均纳入模型进行整体分析, 保证分析的可靠性。

通过分析可知:调整后尽管增加刚度但对整个建筑结构的性能及相关结构分析指标未产生大的影响, 结构侧向位移和振型周期只增加了约1%。

刚度的加强导致了核心筒+翼缘墙与外框柱之间产生内力重分配。在主控组合荷载作用下竖向轴力与原设计相比, 核心筒+翼缘墙内应力增加约3%, 如图4所示。外框柱轴力减少约10%, 如图5所示。

将RC环带墙结构优化为SRC环带钢桁架结构 (见图6) , 斜腹钢支撑需在柱间梁柱节点处做牛腿埋入处理, 考虑结构的整体性, 柱和梁内均埋入型钢构件, 并在梁柱节点位置外伸牛腿节点。柱内埋入型钢柱应在环带桁架层向下和向上分别锚入一定长度。

考虑到钢构件和混凝土构件结构的兼容性, 采用工字钢代替交叉设置的斜腹钢筋混凝土暗梁, 取消混凝土墙, 将L34A和L34B外圈混凝土梁改为型钢内置劲性混凝土梁、L33~L34B外圈混凝土柱改为型钢内置劲性混凝土柱, 使钢构件形成一个整体骨架, 通过等效刚度代换, 将钢结构参数输入整体模型计算, 满足结构楼层刚度和承担水平剪力等分析指标, 且对上下部结构原设计无影响;另外, 通过合理性建议, 彻底解决了机电专业原设计洞口尺寸不足的设计缺陷。

理论上, 该结构形式完全能使结构做到可行可靠, 但实际上, 初始混凝土构件设计并未考虑埋入型钢构件, 一旦埋入, 将使竖向和水平劲性钢结构更加拥挤, 节点部位钢筋、钢结构排布困难, 故本优化应重点从节点设计出发, 保证结构的可行性。

墙体厚度由原设计600mm向结构内侧增厚至900mm, 经与建筑复核对建筑平面功能布局不产生影响, 如图7所示。整个建筑的受力性能和内力重分配与方案1相似, 加大RC环带墙横截面的厚度对结构的增强作用弥补了对钢筋新增用量的需求, 所以钢筋用量与原设计基本相当。墙厚的增加改善了梁柱节点处钢筋密集的设计。

对于墙厚增加带来竖向荷载加大的问题, 需增加框柱竖向钢筋的数量来满足承载力的要求, 如图8所示。

理论上, 上述3种方案均为可行的优化方案, 结合现场结构施工逐渐接近RC环带墙加强层的现状, 已施工的下部结构由于加强层优化调整刚度后的任何加固, 所以理论的方案需结合现场施工的多个因素进行考虑。

方案1和方案3之间的结构性能相近, 从显著提高结构刚度的角度来看方案3优于方案1, 选择方案3在原设计的基础上增加RC环带墙的厚度, 调整了柱的竖向钢筋位置, 钢筋排布、增大钢筋间距、钢筋的搭接以及角度控制相对更容易。但加强层刚度的提高势必要对楼层刚度做出适当调整, 防止刚度突变带来的不良影响。但方案3的选择只解决了2.2节的施工难度中关于节点处钢筋密集的难点, 其他施工方面的难题依然存在。

若选用方案1, 涉及到机电L34B图纸的确认, 原设计L34B外侧是敞开的, 须考虑机电设备的通风开口要求;交叉斜筋的跨度大, 交叉点在L34B梁的位置, 节点钢筋更密;增加一层RC环带墙施工难度更大, 对关键线路工期的影响更大。

方案2需要对钢结构环带桁架进行单独设计, 解决了施工面临的困难, 在优化设计中, 充分考虑混凝土结构和钢结构之间的协调效应, 重点解决在梁柱及斜腹钢支撑节点处柱纵向受力钢筋、柱箍筋、梁主筋、梁箍筋与钢骨之间的碰撞问题, 内置型钢在节点部位优化成锚入钢板;钢板混凝土柱和梁均属于钢与混凝土组合设计, 其中钢板在混凝土梁中主要用于抗剪、钢板在混凝土柱中主要用于抗压或抗拉。

该优化设计直接成本费用增加约20%。相比原设计, L34A的单层环带墙优化为单层钢结构支撑斜杆, 外侧结构刚度减小, 承担的荷载减小。L34A和L34B外侧增加1圈工字钢梁, 可以减少混凝土梁的钢筋用量, 目的是使周边钢柱形成一个整体, 减少结构之间的竖向变形差, 防止混凝土开裂。钢梁与钢柱连接节点全部采用焊接。同时斜腹钢支撑后置施工, 且快速完工可避免对幕墙结构的影响。减少关键线路工期, 工期带来的效益远大于直接费用增加的部分。

综合分析, 选定方案2 (单层SRC环带钢桁架) 作为实施优化方案。选定方案后应着重关注钢结构的原材料采购、构件加工制作周期、现场吊装方案选择、安装队伍选用等方面的工作, 为正式实施做好保障。

采用单层SRC环带钢桁架代替RC环带墙的优化方案, 整体工期比采用RC环带墙结构加快了21d, 且钢结构斜腹支撑通过能快速完成跟进安装, 幕墙正常进度未受干扰, 实现设计优化的最终目标。

对于超高层结构RC环带墙结构进行优化不但要深入进行理论方案比选, 还需结合施工现场进度、成本、施工效率等多方面的因素综合考虑, 选择合适的优化方案进行问题的解决。