周含川，杨海生，张朝（重庆市设计院，重庆　400015）

天和国际中心结构设计

周含川，杨海生，张朝
（重庆市设计院，重庆400015）

天和国际中心为结构高度297m的超B级高度高层建筑，结构体系为框架核心筒，框架柱采用钢管叠合柱，框架及核心筒采用钢筋混凝土。结合建筑特点通过分析对比优选结构方案。解决叠合柱与框架节点构造、核心筒连开大洞、叠合柱与多向梁相交特殊节点等难题。采用高强材料，带来了经济效益。

超高层设计；叠合柱柱节点；核心筒连开大洞；高强钢筋运用

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2015.10.029

1　工程概况

天和国际中心为重庆观音桥标志性建筑，结构高度297m，建筑面积17万m2，塔楼58F/-8F，裙楼5F。裙房尺寸约为105m x64m，塔楼尺寸底部为45m x45m向上逐渐收进为38m x38m。低区主要功能为商业，中区、高区为办公、酒店。

主体结构体系为钢筋混凝土框架-核心筒。沿竖向划分为三段：一段为负8层～7层；二段为8层～31层；三段为32层～屋面层。一段框架柱采用钢管混凝土叠合柱，核心筒采用型钢混凝土剪力墙；二段框架柱采用钢管混凝土叠合柱，核心筒钢筋混凝土；三段框架柱采用钢筋混凝土柱，核心筒钢筋混凝土。

结构设计基准期50年，安全等级二级，抗震设防烈度6度，设计地震分组一组，建筑场地类别II类，基本风压0.4kN/m2，地面粗糙度类别为C类。

图1　建筑效果图

2　主体结构体系

通过方案比选，对比混合结构体系和钢筋混凝土结构体系，进行伸臂桁架敏感性分析和腰桁架、帽桁架敏感性分析，最终确定主体结构采用钢筋混凝土结构框架-核心筒体系，形成多重抗侧力结构体系，分别由钢筋混凝土核心筒、外框架组成，共同承担地震作用和风荷载所产生的水平剪力及倾覆力矩［3］。典型层结构平面布置详图2。

图2　平面示意图

2.1主要的抗震（风）设计思想

2.1.1采用成熟体系，实施多道设防

结构整体采用较为成熟且已被多项工程成功采用的双重抗侧的外框架+核心筒，满足结构抗震及抗风设防要求。

2.1.2重点部位及构件合理选型

外框柱采用单位面积强度较高的钢管叠合柱，低区核心筒墙体为确保延性在重要部位设置钢管或型钢，加强钢混凝土与钢管叠合柱节点合理设计。

2.2钢筋混凝土核心筒

钢筋混凝土核心筒从基顶伸至屋面，核心筒在强震下的延性是结构安全性的主要考虑目标，为了改善钢筋混凝土延

图3　核心筒示意图

2.3结构构件主要尺寸及混凝土强度

墙柱混凝土采用C60～C35，塔楼外框柱1600mm x1600mm（钢管Φ1200x30）～1000mm x1000mm。

核心筒墙厚外墙1200～400mm，内墙600～300mm，混凝土采 用 C35，框 架 截 面 600mm x600mm、600mm x900mm、900mm x600mm、800mm x600mm等。

3　钢管叠合框架柱与钢筋混凝土柱关键节点设计

钢管叠合柱做为外围框架柱［1］，由于钢管套箍作用，钢管内混凝土处于三向受压，抗压强度比普通钢筋混凝土大幅提高，具有单位面积较高强度的特点。本工程柱截面1600mm x1600mm，钢管Φ1200x30到 上 部逐 渐 收 进 为1400mm x1400mm，钢管Φ1000x20，套箍指标1.03～1.53，竖向承载力为同等截面钢混凝土柱的2.25～2.47倍，柱截面面积减小54%～59%，减小柱自重累计增大使用面积达750㎡，带来较好的经济效益。

钢管混凝土叠合柱除了具有钢管混凝土的优点外，钢管外钢筋混凝土进一步提高了柱的强度与刚度。同时外围钢筋混凝土也提高了柱的防火性能，不用进行防火涂抹。叠合柱具有截面小但强度高的特点。比较适合低烈度、低风压地区的超高层不需要增大柱截面以提高侧向刚度的情况。

钢管叠合柱外框柱与钢筋混凝土节点是关键节点，框架梁内纵向钢筋在叠合柱内的锚固方式及有效性是重点。可用的有双节点，筋穿叠合柱内钢管节点，柱内钢管设钢筋套筒连接纵筋节点等，各具优缺点［5］，须结合工程特点综合考虑（见图4）。

图4　钢管混凝土柱与框架梁节点

3.1双梁节点

双节点为了避免框架纵筋穿过叠合柱内钢管，一般设两个同样截面大小的框架对称位于叠合柱钢管外的钢筋混凝土区域内。其优点是，钢筋不用穿柱内钢管，施工简便。缺点是，由于双节点的存在，限制了柱内钢管的大小，无法充分发挥柱内钢管套箍作用及叠合柱高强度的优势；设置了双节点，增大了的混凝土及构造钢筋用量，整体造价偏高（见图4）。性，将核心筒角部沿全高设置约束边缘构件，并在低区（从基础向上约15层）核心筒外墙四角、内墙与外墙交接处、外墙洞口附近墙肢内埋设钢管Φ500x20（或型钢），进一步提高墙体延性。低区采用高强混凝土，减小墙轴压比，减小结构自重。加入钢管后，筒体轴压比限值能提高约0.1。

核心筒布置在X向基本对称，但根据建筑需要在Y向存在偏置，对墙体较多一侧采取墙上局部开洞和相对减薄等措施相对削弱偏置墙体使得筒体刚度均匀，减小扭转效应。经多次调整基本消除了建筑偏置布置带来的偏心。由于使用功能需要，筒体在Y向分别于32层和47层有一次向内收进，通过对贯通墙和收进墙肢相对厚度的调整不断试算，保证各区筒体墙肢平面布置均匀及对称。核心筒平面剖面见图3。

3.2钢管焊接套筒节点

柱内钢管设钢筋套筒连接梁纵筋节点是在叠合柱内钢管外壁上预先焊接钢筋连接套筒，通过连接套筒连接框架纵筋。优点是不限制柱内钢管的大小，提高钢管内约束混凝土的比例，充分发挥叠合柱竖向承载力且不用削弱钢管。缺点是对套筒定位及钢管安装精度要求过高，超过了常规施工队伍的精度水平，实践工程中往往难以实现，使用较少（见图4）。

3.3钢筋穿钢管节点

钢筋穿钢管节点是在叠合柱的钢管上开设纵筋的穿筋孔，纵筋穿过钢管上的穿筋孔锚入钢管内的核心混凝土中。优点是不限制柱内钢管的大小，可最大程度提高钢管内约束混凝土的比例，充分发挥叠合柱竖向承载力高的优势，从而节约材料腾出更多使用空间；钢筋直接穿入钢管内，传力明确，节点性能较好。穿孔处通过补强环板的设置弥补了开洞对钢管的削弱。缺点是以往工程施工反映钢管开穿筋洞口时施工较麻烦。一种解决办法是钢管在工厂制作时预先钻孔然后现场安装，这对钢管安装的精度要求较高，钢管安装定位垂直度及转角都对纵筋就位产生较大影响。另一种办法是钢管只在工厂焊接补强环板现场就位后现场开孔。现场开孔不得使用火焰切割，一则会造成钢管温度残余应力不利于发挥钢管的最大作用，另外开孔精度不高。可使用磁力钻现场定位并开孔，经现场试验，开孔尺寸较精准，机械钻孔也不产生高位残余应力，机具较小一两个人便可操作。经过比选，本工程采用此节点，顺利解决钢管穿筋问题。现场施工见图5、图6。

图5　叠合柱钢管开孔作业

图6　叠合柱钢筋混凝土梁穿筋

当框架受力较大，纵向穿叠合柱钢筋数量较多时，为减少钢筋穿钢管排数，纵筋采用竖向2根纵筋并筋，钢管内开长圆孔，既减少了钢管内开孔排数，也确保内纵筋有效高度。筋锚固长度按并筋要求执行。

当斜向交汇于叠合柱时为避免在叠合柱钢管内多排开孔过分削弱钢管以及过多减小梁纵筋有效高度，对斜交于柱的梁布置方式进行优化，使梁筋斜交位置避开梁柱节点区域，避免了多排纵筋穿叠合柱内钢管，简化了施工（见图7）。

图7　梁柱节点设计优化

框架纵筋采用高强钢筋HRB500替代常规HRB400，同等承载力减少了钢筋数量、排数，有利于框架穿叠合柱节点的施工。

结构嵌固层设于负3层，为进一步加强叠合柱内钢管的锚固，叠合柱柱脚锚固于大直径嵌岩桩中，柱内钢管埋入基础2m。柱脚大样见图8。

图8　叠合柱柱脚锚固大样

4　核心筒连大开洞的设计

核心筒外墙连为核心筒重要构件，一般不宜开洞。但核心筒为设备专业重要的管道走廊，分布密集，全部从梁下走也将导致净高不够，严重影响使用功能须在净跨3.9m、截面高度1.8m高的连梁上开1.5m宽0.6m高的大洞口。需要审慎的处理连上的开洞，仔细分析并合理加强，确保开洞连的性能。一般情况对开洞连可简化为双连处理，即取两倍梁截面宽度，一倍开洞后剩余截面高度的一半高度输入计算模型进行等效。但由于本工程为超高层建筑，结构侧向刚度是超过层建筑的主要控制因素，而连是影响整体结构侧向刚度较敏感构件。为较准确反映开洞连的实际刚度，对开洞连采用有限元软件ANSYS进行了细部分析，目的是找到等刚度的矩形非开洞连进行模拟：模型采用实体单元建模，实体单元采用了用来模拟钢筋混凝土的solid65单元。模型简化如下：（1）墙体范围取值：取标准层筒体北侧整片外墙。（2）力学模型简化：外墙采用底部固结，顶部用X向节点耦合，通过对比在X向施加单位位移所需要的节点力，得到该模型的侧移刚度（见图9）。

图9　核心筒连大开洞设计模型简化图

通过试算，把开洞连等效为厚度一致高度为1000mm没有洞口的普通连，墙体侧向刚度相同。确保了开洞连在整体模型中能较准确的进行等效分析。

根据力学分析结合有限元细分模型分析结果对开洞连配筋进行加强。参考弹塑性时程分析结果，在大震下等效连进入塑性的程度较低，设计时可以主要参考弹性设计的结果然进行配筋。根据概念设计通过提高箍筋配筋率、减小钢筋间距、提高洞口附加纵筋配筋率等措施加强连延性（见图10）。

图10　核心筒外墙剪力墙连梁开洞等效模型分析及补强大样

5　结构方案优化设计

5.1伸臂桁架方案对比及优化

框架-核心筒结构加强层伸臂桁架设置及分析是超高层建筑结构设计的重要内容。伸臂桁架一方面可以较大提高结构抗侧刚度，另一方面由于伸臂存在也导致了伸臂附近筒体和外框柱刚度和承载力的突变，形成相对薄弱部位。需要针对特定的建筑考察伸臂的具体效果。通过4个不同伸臂位置及数量模型（伸臂均设置于避难层），对不同伸臂桁架方案进行了主要参数计算对比，见表2。

表1　耦合节点表

表2　伸臂桁架方案对比分析表

外框架柱距离核心筒跨距低区9m，相比较而言，属于中等偏小的跨距，加之中高区逐渐内收，到高区内筒和外框架柱间跨度减小至仅7m左右。本身外框架与核心筒形成较强刚度。计算分析伸臂桁架对整体结构刚度、位移、周期及稳定性的贡献效果总体来说不显著，若设置伸臂将导致结构竖向刚度及承载力明显突变，出现相对薄弱部位，设置伸臂桁架弊大于利。综合各因素选择了无伸臂桁架的结构方案。

5.2加强层水平环桁架方案对比

水平环桁架可以协调外框相邻柱的内力差，辅助伸臂协调加强层变形，但是否需设置环桁架需根据对比分析结果确定［2］。

通过2个模型，对不同伸臂桁架方案进行了对比，见图11、表3。

表3　伸臂敏感性分析表

图11　腰桁架对比分析

腰桁架对刚度贡献不显著，对外围竖向构件协调变形的贡献也不显著，仅对相邻局部楼层有影响。由于腰桁架增大了加强层的刚度，加剧竖向刚度突变，在各指标均满足要且效果不是很明显的情况下，腰桁架能不设尽量不设，故不设腰桁架。

5.3帽桁架试分析

设置在结构顶部的帽桁架可以提高结构整体性，协调内外结构的变形差，但对于本结构是否需设计帽桁架需通过对比计算分析。

从表4可以看出，设置帽桁架对于结构整体刚度的提高以及风荷载下层间位移角的控制作用有限，对框架弯矩的影响也不是十分显著。因此最终结构选择了无帽桁架的体系（见表4）。

表4　是否设帽桁架对比表

6　高强材料运用及经济性分析

由于超高层建筑特性，结构自重占超高层总重量比重很大，本工程结构自重占建筑总重量超过85%，采用高强材料，提高单位重量的强度，将更加有助于提高结构性能、提供更多的使用空间。

混凝土最高强度采用高强混凝土C60，使用部位主要为底部墙、柱、叠合柱（根据规范使用超过C60强度混凝土轴压比限值将打折，而且混凝土脆性更强，需要更多侧向钢筋确保延性。所以从经济性及结构性能角度，并未使用更高强度的混凝土）。

钢材采用Q345，使用部位主要为叠合柱内钢管、剪力墙内钢管及宴会厅大跨屋顶承重结构。

梁柱纵向受力钢筋采用HRB500。对比塔楼、裙房梁柱采用HRB500钢筋与HRB400钢筋用量结果见表5。

表5　高强钢筋经济指标对比表

使用HRB500将比使用HRB400节约588吨钢材，材料节约比例13%。考虑HRB500比HRB400单价高5%左右，钢筋造价节约8%左右。

塔楼外框柱采用叠合柱，底部采用截面1600mm x1600mm，钢管Φ1200x30，叠合柱承载能力等同2400mm x2400mm截面钢筋混凝土柱，截面面积减小了54%，提供了更大的使用面积，同时减小了材料用量。

7　结论

天和国际中心已通过主体结构验收，即将投入使用，各分项评定、感官质量均达到了预期设计要求，其设计、施工中取得的经验可供其他类似工程参考。

［1］林立岩，李庆钢.钢管混凝土叠合柱的设计概念与技术经济分析［J］.建筑结构，2008，38（3）：18-21.

［2］杨克家，梁兴文，李波.带加强层超高层结构受力性能研究及设计建议［J］.建筑结构，2008，38（2）：111-115.

［3］徐培福，傅学怡.复杂高层建筑结构设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［4］中国工程建设标准化协会.CECS 188：2005钢管混凝土叠合柱结构技术规程［S］.北京：中国计划出版社，2005.

［5］钱佳茹，周栋，方晓丹.钢管混凝土柱-RC环节点及其应用［J］.建筑结构，2003，33（9）：60-62.

责任编辑：孙苏

住建部：“十三五”将有中国建筑如“搭积木”般建造

住房和城乡建设部副部长王宁在此间举行的第十四届中国住宅博览会上说，我国正酝酿在国家层面研究出台推进住宅产业化发展的指导意见和"十三五"规划。分析人士称，这意味着未来五年我国住宅产业化或将迎来爆发式增长，将有更多中国建筑如"搭积木"般建成。

无论是用工厂流水线生产的墙体、楼板、楼梯、厨房和卫生间等构件和模块现场拼装的房子，还是无需空调暖气自身会"呼吸调温"的"被动屋"，各种新式住宅样板亮相本届住博会，展示出国内住宅产业的新气象。

这种"搭积木"般的盖房模式，用专业术语来说就是住宅产业化。形象地说就是我们现在居住的住宅在未来的建造过程中就像生产汽车一样，将住宅部品和构件交由不同专业工厂进行生产，然后运送到建筑工地进行组装搭建，就可以大大减少过去现场浇筑方式带来的污染、噪音、浪费以及各种质量问题，不仅可以提高建设效率，节省人力，更有利于全面提高建筑工程质量和品质，是未来建筑业发展的方向。王宁说，我国推进住宅产业现代化从1999年开始起步，“十二五”以来尤其是近两年有了突飞猛进的发展。截至2013年底，全国累计新开工的产业化建筑面积1200多万m2，2014年新开工产业化建筑面积超过2000多万m2，2015年计划新开工面积有望超过3000万m2，实现了每年增加千万平方米的发展速度。

（摘自：新华网）

StructuralDesign OFTianhe International Center

Tianhe International Center，w ith the structural heightof 297m，is one over B lever heightof the code，with structural system of frame-tube，steel tube-reinforced concrete column and reinforced concrete beam and core tube.Combinedw ith architectural features，the structuralscheme isselected through analysisand comparison.Issuesofsteel tube-reinforced concrete column and beam jointstructure，core tube coupling beamsw ith large openingsand the special nodesof the steel tube-reinforced concrete column and multibeams intersectare tackled.The adoption of high strengthmaterials bringseconomic benefits

super high-rise building design；beam column joints of steel tube-reinforced concrete column；core tube coupling beamsw ith large openings；application of high strength steelbar

TU 528.2

A

1671-9107（2015）10-0029-06

2015-08-07

周含川（1977-），男，云南昭通人，研究生，高级工程师，主要从事高层结构设计。