超高层建筑钢混结构节点综合应用技术

孙为，谢志涛，李堂

（中国建筑第八工程局有限公司，上海 200120）

1 工程概况

某工程项目包括1 栋129.95 m 高的塔楼、3 栋99.95 m高的办公塔楼，原有工业厂房改建为21.65 m 高的工艺会展中心，分别为1#、2#、3#、4#、5#楼，共有5 个综合体，连接1#、2#楼的是高99.9 m（下净高85 m）的空中连廊。

1）1#楼地上结构为30 层的核心筒-钢框架结构，建筑高度为129.95 m，标准层层高为4.25 m。核心筒钢结构主要由1~4 层中15 根H 型钢劲性柱组成。外框钢结构主要由内混凝土箱型钢柱以及H 型钢梁组成，箱型柱合计20 根。

2）2#、3#、4#楼地上结构为22 层的核心筒-钢框架结构，建筑高度为99.95 m，标准层层高为4.25 m。核心筒钢结构主要由1~4 层中15 根H 型钢劲性柱组成。外框钢结构主要由内混凝土箱型钢柱及H 型钢梁组成，箱型柱合计18 根。

2 33 种结构的特点

2.1 核心筒劲性柱结构

核心筒劲性柱是以型钢柱（轧制型钢或焊接型钢）周围配置钢筋并浇筑混凝土的埋入式组合构件形成的结构体系。由于它兼有钢结构的延性和钢筋混凝土结构的耐火性，具有承载能力高、整体刚度好、节省维护费用等优点，特别适用于高烈度地震区的工业和民用建筑及高层建筑，使建筑物既有较大的可利用空间，又有很强的抗震性能。而由于核心筒劲性柱充分发挥了钢与混凝土两种材料的特点，具有截面尺寸小、自重轻、延性好以及优越的技术经济指标等特点，在高层或超高层建筑中采用劲性柱,可以大大减小柱的截面尺寸，显著改善结构的抗震性能。而从建造施工方面分析，其主要问题有：

1）型钢柱吊装完成后，会对外包钢筋绑扎安装及混凝土浇筑带来很大的不便，特别是在浇筑混凝土时，操作工人在实际操作中往往是从型钢柱的单侧浇筑混凝土，较易导致型钢柱另外两侧或三侧混凝土分层离析；另一方面，埋入式型钢柱的栓钉和箍筋较多，振动棒插入较难，容易造成混凝土骨料不密实。对于此类问题，需要调整混凝土配合比技术参数，使混凝土强度满足规范及设计要求，但由于混凝土和易性差，强度不均匀，还会导致结构整体承载力降低。

2）核心筒中的型钢与混凝土属于两种不同材料，在温度应力作用下其收缩变形有较大的差异。正是由于两种材料收缩能力不同，导致型钢与混凝土之间容易形成因收缩造成的细小裂缝。在超声波检测过程中表现出波幅衰减较大的现象，工程质量不易控制。

3）劲性柱施工一般需要在钢结构安装校正完毕后进行，致使施工周期增加。

2.2 混凝土钢箱柱

混凝土钢箱柱是指在钢箱柱中填充混凝土而形成的结构构件，且钢柱及其核心混凝土能共同承受外荷载作用，按截面形式不同，可分为圆钢管柱混凝土，方形、箱形钢柱混凝土和多边形钢柱混凝土等。混凝土钢箱柱结构的迅速发展是由于它具有良好的受力性能和施工性能，具体表现为以下几个方面。

2.2.1 承载力高且延性好抗震性能优越

钢箱柱混凝土柱中，钢箱柱对其内部混凝土的约束作用使混凝土处于三向受压状态，提高了混凝土的抗压强度。钢箱柱内部的混凝土又可以有效防止钢箱柱发生局部屈服。研究表明，钢箱柱混凝土柱的承载力高于相应的钢箱柱承载力和混凝土柱承载力之和。钢箱柱和混凝土之间的相互作用使钢箱柱内部混凝土的破坏由脆性破坏转变为塑性破坏，构件的延性明显增强，耗能能力大大提高，具有优越的抗震性能。

钢箱柱混凝土构件比钢筋混凝土构件的抗震性能强。在一些建筑中，纯钢柱需要采用厚度较大的钢板以确保局部稳定性，但仍会在发生塑性弯曲后丧失结构稳定性。因此，钢箱柱混凝土柱的抗震性能也优于纯钢柱。

2.2.2 施工方便，工期短

钢箱柱混凝土结构施工时，钢箱柱可以作为框架骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，施工不受混凝土养护时间的影响；由于钢箱柱混凝土内部没有钢筋，便于混凝土浇筑和捣实；钢箱柱混凝土结构施工时，不需要模板，既节省了支模、拆模的材料和人工费用，也节省了施工时间。

2.2.3 结构耐火、防火性能及耐腐蚀性能显著提高

由于钢箱柱内填有混凝土，具有较强的耐火能力，可减慢钢柱的破坏速度，并且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分荷载，防止结构倒塌。

钢箱柱中浇筑混凝土使钢箱柱的外露面积减少，从而使结构受外界气体腐蚀的面积减少，延长了钢箱柱的自然使用寿命，并且大幅度降低了钢箱柱抗腐和防腐所需费用。而从建造施工方面分析，其主要问题有：

1）钢箱柱施工完成后，其施工质量很难采用超声波进行检测，国内同类工程都存在着同样的问题。原因是混凝土收缩后，会在钢箱柱内壁与混凝土之间产生微裂缝，影响检测结果。

2）为保证管内混凝土施工质量，采用非常规混凝土材料，需采集大量混凝土配合比施工方案试验数据，同时还需进行破坏性试验，具体分析是使用自密实混凝土（主要是增加其流动性）、高抛混凝土（增加混凝土稠度，防止离析）还是普通混凝土。

3）钢箱柱需要在厂家加工制作而成，随着建筑物高度的增加，钢箱柱的壁厚会越来越厚，而且不易弯曲成型，因此，钢箱柱一般用于高度≤360 m 的超高层建筑中。

4）钢箱柱外包钢材直接暴露在外部环境中，其防腐防火要求比较高，投入大。

2.3 钢混结构连接节点

2.3.1 钢混结构的节点

一般包含以下几种结构：

1）箱型柱：外包钢结构，内侧为素混凝土或者钢筋混凝土，外形常为箱形、圆形；

2）劲性柱：内侧为工字钢、H 型钢等，外包钢筋混凝土；3）钢筋混凝土梁：采用钢筋和混凝土梁作为主要的水平受力结构与柱子连接；

4）钢梁：采用钢梁与柱子连接；

5）劲性梁：内侧为H 型钢或者工字钢，外包钢筋混凝土作为水平受力构件与柱子连接。

6）核心筒框架：采用由劲性柱和混凝土剪力墙、楼板组成的中央结构体系。

2.3.2 结构节点组合

在常见的施工中，一般对以上结构节点做如下组合：箱型柱+ 钢筋混凝土梁；箱型柱+ 钢梁；箱型柱+ 劲性梁；箱型柱+钢梁;劲性柱+钢筋混凝土梁；劲性柱+钢梁；核心筒混凝土剪力墙化学植筋+外框楼板钢筋。

2.3.3 钢混结构梁柱节点构造及施工应注意的问题

1）节点构造不应太复杂。节点设计要尽可能通俗易懂，方便施工人员进行现场定位和安装。此外，节点设计还应考虑加工厂的工艺水平。

2）注意构造细节。节点应具有足够的延性和韧性；节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等施工空间及构件吊装顺序等。

3）梁柱节点不同，混凝土强度等级均按先柱后梁的次序浇捣，也会有少数楼层在梁柱节点处高低强度等级混凝土交界面附近出现微细裂缝。

4）钢混节点处，钢板与混凝土属于两种不同材料，在温度应力作用下其收缩变形有较大差异，正是由于两种材料收缩能力不同，导致钢板与混凝土之间容易形成因收缩造成的细小裂缝。

3 3 种结构在同一超高层建筑中综合应用的关键点

本项目整体施工顺序是核心筒劲性柱结构→外混凝土钢箱柱框架结构→楼层板施工，按照核心筒钢骨柱领先核心筒混凝土2~3 层，核心筒结构领先筒外钢箱柱5~6 层、钢箱柱领先组合楼板混凝土4~5 层、外钢框梁领先楼板混凝土2~3 层的节奏，外框钢结构安装标准层按8 d/层的节奏进行施工。各工序衔接期间穿插进行核心筒爬架和塔吊的爬升作业，以满足结构施工需要。保证施工质量的关键点如下：

1）核心筒部分采用劲性柱混凝土结构。核心筒先施工，外架采用爬架，同时配置两层外架作业平台[1]。核心筒结构位于建筑体系中央，为其他结构（外框结构、电梯、爬架、塔吊）提供受力附着点，所以，核心筒的施工进度决定了整个项目的施工进度。

2）核心筒钢骨柱应提前在加工厂制作，保证施工现场预备二层的钢骨柱。钢骨柱安装及校正工序安排成熟的施工班组，安装前准备好相应的吊耳和爬梯，高效有序地完成安装作业，并且保证钢柱精度及焊缝质量，杜绝二次校正和焊缝返修。

3）核心筒钢骨柱钢筋绑扎、模板支护、混凝土浇筑工作，应和钢骨柱吊装形成搭接施工，确定钢筋立筋穿孔焊，钢筋水平筋横板焊，简化了施工工序，加快了施工进度，加强了质量控制。

4）核心筒外混凝土钢箱柱框架结构采用钢结构框架先行，内灌混凝土随后。钢箱柱具有钢筋承载功能，兼有纵向钢筋和横向箍筋作用，所以，柱内不设置钢筋，省了钢筋下料和绑扎钢筋等一系列工序，而且钢箱柱本身就耐侧压及上压，同时也节省了支模和拆模等工序[2]。钢框架结构足以形成竖向承载力，可以跟着核心筒持续施工；钢框架构件应提前在加工厂制作，保证施工现场预备二层的钢构件。

5）核心筒外混凝土钢箱柱框架结构与核心筒剪力墙连接节点采用预埋钢板，在核心筒剪力墙钢筋绑扎过程中埋入钢板，保证预埋钢板的施工精度，保证钢板锚筋长度和搭接质量，也就保证了外钢框架的施工质量和整体承载力。

6）核心筒外混凝土钢箱柱向上施工，必须保证下一层钢梁已安装完成，钢梁要随着钢箱柱持续进行，每2~4 根钢柱之间都要形成框架结构，方能进行后续钢柱安装；每一层结构形成整体框架，方能进行上一层钢箱柱的安装；避免超装、斜装、不带节点紧固板安装。

7）核心筒外混凝土钢箱柱在持续施工过程中，为了保证内灌混凝土工序不影响钢框架竖向施工节奏，所有管柱侧面开设临时灌注孔，临时灌注孔孔径通常约为20 cm，便于混凝土泵从侧面自上而下灌注混凝土，灌注进度不仅快，还能保证浇灌质量。

8）核心筒外混凝土钢箱柱梁节点安装采用焊接和高强螺栓连接，为了保证施工连续性和保护高强螺栓不受破坏，节点安装预先采用安装螺栓，每个节点保证4~6 个安装螺栓连接；柱梁安装形成区域框架后，校正班组尽快完成校正，并逐步更换成高强螺栓，既加快了施工进度，又提高了柱梁节点质量。

4 结语

通过对核心筒劲性柱和混凝土钢箱柱以及钢混连接节点三者综合应用技术的不断完善、总结、提升，不仅能满足工程本身进度和质量要求，节约大量施工成本，还能带动当地的经济发展，社会效益明显。另外，从劲性柱及混凝土钢箱柱吊装、校正，模板安拆及混凝土浇筑方面均采用了可靠的科学技术进行管理，达到工期短、质量好的目标，有利于施工安全，解决了传统施工方法中难以解决的问题，大大减轻了劳动强度，劳动效率显著提高,经济效益十分优厚。