转自建筑结构《南京某公寓塔楼逆作法的结构设计与分析》作者：彭丽红， 杨东升， 张文华， 周定
［摘要］ 南京某公寓塔楼建筑高度260m，由于项目开发进度要求，对塔楼地下室采用逆作法施工。结合现场条件、塔楼结构体系和基础方案，确定了逆作法的施工工序，并针对逆作法工况对塔楼基础和上部结构影响进行了分析。地下室采用钢管混凝土柱，基础采用钻孔灌注桩。将地下1 层设定为顺作、逆作交界面，并在交界面处完成核心筒剪力墙以及外框柱的托换，并将顺作、逆作交界处的连接节点以及桩基础承台设计为后连接节点。在地下1层楼板设置4 个出土口，为提高施工速度，楼面梁都采用钢梁。以上设计均建立在对塔楼基础、竖向构件及地下室楼盖进行顺作、逆作工况及正常使用工况的包络设计的基础上。结果表明，公寓塔楼逆作法施工方案技术上可行，并可有效缩短预期工期。
［关键词］ 超高层建筑; 地下室逆作法; 逆作支承柱; 竖向构件托换
1 工程概况南京某公寓塔楼( 图1) 是集商业、酒店、办公和公寓一体的超高层综合体，总建筑面积约58. 7万m2。其中公寓塔楼地上建筑面积为109 053m2，地上66 层，标准层层高3. 3m，地下4 层，建筑总高约260m( 含10m 高塔冠) ，与周边裙房设抗震缝脱开，采用钢筋混凝土框架-剪力墙体系。典型结构平面图如图2 图所示。
塔楼设计使用年限为50 年，结构安全等级为二级，地基基础设计等级为甲级，地上混凝土核心筒抗震等级为特一级，混凝土框架抗震等级为一级。抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度为0. 10g，设计地震分组为第一组。场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0. 45s。50 年重现期的基本风压为0. 40kN/m2。
由于项目紧邻地铁，基坑的变形控制较一般工程严格，需要对地下室进行分期开挖和分基坑施工。公寓塔楼所在分基坑的支护结构为闭合的1m 厚地连墙，为满足项目用一年时间施工至顶层的预售计划，公寓塔楼的地下室实施逆作法。
图1 建筑项目效果图
图2 典型结构平面图
2 逆作法结构分析的计算假定与输入条件2. 1 逆作法工序介绍
首先，现场在原地面标高施工公寓分坑的支护结构( 地连墙) 及塔楼基础( 桩基础) ，并安装逆作支承钢管柱; 然后开挖至地下1 层以下1. 2m 标高后，先施工地下1 层楼盖结构，然后向上施工1 层楼盖，并在1 层楼盖完成逆作支承柱与上部竖向构件的转换; 在1 层楼盖施工完成后，塔楼继续向上施工至22 层( 满足预售条件) ，同时向下逐层开挖并完成地下室楼盖施工，待地下室底板封闭后，塔楼继续进行22 层以上的施工直至结构封顶。
2. 2 逆作结构分析的假定及参数
对于实施逆作法的主体结构，需要进行逆作工况的补充分析，即地下室底板开挖完毕且地上施工至22 层的受力工况，此时地下室底板及承台未封闭，结构仅靠支承立柱下的基础承担上部荷载。逆作工况和正常使用工况的模型示意见图3，计算参数差别见表1。
图3 逆作工况和正常使用工况的计算模型示意
3. 1 逆作支承立柱的布置与分析
逆作施工阶段，在地下室底板封闭、地下室竖向构件顺做连接完成前，地上22 层及地下3 层楼盖施工完毕时，地下1～3 层的结构柱为逆作临时支承钢管混凝土柱。
公寓塔楼的柱呈长矩形，按受力需要内埋钢骨，底部截面尺寸分别为3. 9m × 1. 2m，2. 8m × 1. 2m，2. 4m×1. 2m，2. 4m×1. 6m，内部混凝土强度等级为C60。考虑竖向构件的截面尺寸及上部荷载要求，经计算分析，外框柱采用两桩托一柱、配套两根内灌C50 混凝土的直径700×25，直径600×22 圆钢管支承柱的方案。为了满足桩施工( 1 倍桩净距) 的要求，针对地下室楼层原截面尺寸为2. 8m× 1. 2m 的柱，将其截面尺寸加大至3. 9m×1. 2m，以保证柱下两桩的净距等于桩径; 内部框架柱采用单柱单桩、配套直径600×22 圆钢管支承柱的方案，混凝土强度等级C50; 核心筒剪力墙采用配套直径700×25 圆钢管支承柱、局部采用□600×600×25×25 方钢管支承柱( 用于内墙下，内灌C50 混凝土) 。地下室逆作支承立柱共75 根( 包含裙房柱9 根) ，地下室支承立柱布置图见图4。
3. 2 逆作支承立柱的计算分析
按表1 的计算参数，分别对地下室逆作阶段的钢管混凝土柱及正常使用阶段的钢筋混凝土柱( 外包混凝土后，柱内两根钢管柱的配钢量不足4%，按普通钢筋混凝土柱考虑) 进行受力复核。计算结果表明，逆作工况下，钢管混凝土柱的最大轴压比为0. 74，钢管的最大应力比为0. 75; 正常使用工况下，钢筋混凝土柱的最大轴压比为0. 67，柱最大配筋率为1. 1%，满足受力要求。同时，为满足逆作阶段钢管混凝土柱的稳定要求，应保证柱任意方向无有效约束的长度不应超过8m，超过时应在相应方向设置可靠支撑。
3. 3 顺逆作分界处的竖向构件转换设计
结合现场情况，地下1 层楼面为顺逆作分界面，地下1 层以下地下室采取逆作工艺，1 层以上楼盖采用顺作工艺。外框柱、核心筒剪力墙等竖向构件在1 层楼盖( 顺作) 托换，由地下1 层以下的钢管混凝土柱转换为地下1 层以上的内置钢骨的钢筋混凝土构件。
3. 3. 1 核心筒剪力墙的托换
地下1 层核心筒剪力墙墙体，在正常使用工况下，需要按建筑要求设置墙体洞口( 图5) 。但为了节约逆作施工的时间，施工时先将洞口位置与墙体一起浇筑，形成不开洞墙体( 图6) ，节省了支模时
图4 地下室支承立柱布置图
间，并于日后顺作阶段，再后凿洞口( 不在控制时间上) 。钢管与钢骨的转换节点示意见图7。
3. 3. 2 外框柱的托换
为了满足桩净距的要求( 1 倍桩径) ，地下2 层及以下的外框柱截面加大，同时为不影响建筑使用，首层柱截面收小，故间距稍大的逆作钢管柱需在地下1 层完成向间距稍小的钢骨转换。为了进一步增加结构的冗余度，将水平转换构件设计成桁架，上下弦杆截面为H1 000 × 700 × 40 × 40，斜腹杆截面为H700×400×40×40，其示意见图8。
图8 塔楼柱钢管、钢骨的转换节点示意
取轴力最大处的柱( 仅考虑钢骨) 建立局部计算模型。钢骨的轴向力按混凝土与钢骨的轴向刚度( EA) 比例分配，因钢骨四周都有混凝土，故不考虑钢骨的稳定问题。模型中轴向力按恒载输入，如图9 所示，可见转换区钢骨的应力比较低，最大应力比0. 24。
图9 塔楼柱转换方案的钢骨应力比复核
为了复核正常使用状态下混凝土的压应力，在钢骨转换模型的基础上，加上壳单元模拟的混凝土部分，并按正常使用工况的荷载输入，混凝土的压应力和钢骨的应力比如图10 所示。
除了加载点附近由于出现局部应力集中而导致
图10 塔楼柱转换方案的混凝土压应力与钢骨应力比复核
的混凝土压应力较高( 约50MPa) ，其余部位混凝土压应力( 小于24MPa) 均小于C60 混凝土的强度设计值27. 5MPa，钢骨的最大应力比为0. 74，设计满足受力要求。
3. 3. 3 地下室顺作时段的竖向构件后连接设计
底板浇筑完毕并达到强度后，地下室未施工的墙柱混凝土部分可以按正序分层施工。逆作钢管柱与后施工的墙柱混凝土部分的连接节点见图11。
图11 逆作钢管柱与地下室墙柱的节点
4 桩基础的设计
4. 1 桩的选型
结合地勘报告及塔楼承载力要求，公寓塔楼采用钻孔灌注桩基础。按照逆作法要求，在3. 0 ～4. 0m( 天然地坪处) 标高处进行桩基础施工及逆作支承钢管混凝土柱的安装。
了解项目地的施工水平后，当桩径大于1. 5m时，成桩质量及速度将显著下降。结合前期基础选型分析、现场试桩情况、当地施工水平及逆作时支撑立柱的施工要求，公寓塔楼的桩径采用直径1 200( 设计单桩抗压承载力特征值为17 500kN) 和直径1 500( 设计单桩抗压承载力特征值为25 000kN，用于核心筒受力较大处) 。
对需要埋设逆作支承钢管的桩，为满足钢管的埋设要求，桩施工时，在桩顶标高以下按桩图要求的直径成孔( 直径 1 200 /直径 1 500) ，在桩顶标高以上部分再扩孔500mm( 直径1 700 /直径 2 000) ，如图12所示。
图12 桩成孔及钢管支承柱埋设示意
需要安装钢管的桩的桩位偏差应小于5mm，其余桩的桩偏心距不应大于50mm，垂直度偏差小于1 /600。当成孔质量合格、钢筋笼及逆作支承钢管定位准确后，再灌注混凝土( 钢管内浇筑的混凝土应采用微膨胀混凝土) 。
4. 2 桩基础的计算分析
塔楼的基础需要验算逆作工况( 施工至22 层)和正常使用工况。逆作工况下塔楼总重量约为85×10^4kN，正常使用工况下塔楼总重量为242×104kN。逆作工况塔楼区布置56 根1 200 桩和10 根直径1 500桩( 图13) ，正常使用工况布置176 根直径1 200桩和10 根直径1 500 桩( 图14) ，可满足两种工况下的承载力要求。
4. 3 承台的后连接设计
塔楼承台厚度取3. 6m。塔楼钢管柱与承台的连接部位，先将桩的保护层混凝土凿毛并清洗干净，再在钢管上焊接钢环梁，绑扎承台、底板钢筋
图13 逆作工况的桩反力图/kN
图14 正常使用工况的桩反力图/kN
并与钢环梁的钢筋连接板焊接，最后浇筑承台混凝土，以保证柱和承台混凝土的可靠传力，节点见图15。
逆作区裙房钢管柱与承台的连接部位，先将逆作桩的保护层混凝土凿毛并清洗干净，再在钢管上焊接钢筋连接板，焊接钢筋，节点见图16。
5 水平楼盖的设计5. 1 水平楼盖布置介绍
结合现场条件，设置4 个取土口( 图17) ，设计按每天出土量为1 000m3。地下室逆作施工期间，塔楼分坑内地下1～3 层楼盖兼做基坑的水平支撑，抵抗四周的土水压力( 按基坑围护设计资料显示，楼层的土压力标准值约为600 ～ 900kN/m; 逆作设计时，取900kN/m 每层进行楼盖复核) 。设计取地下1 层～ 地下3 层楼板厚度为200mm，混凝土强度等级为C35。
5. 2 楼板压应力复核
在分析楼板压应力时，不考虑梁的作用，所有压应力由板承担( 保留核心筒开洞处的支撑钢梁) 。
图15 塔楼钢管混凝土柱与筏板钢筋连接构造
图16 裙房钢管混凝土柱与柱下承台钢筋连接构造
图17 公寓分坑出土方案
图18 楼板压应力/MPa
图18 的分析结果表明，楼板压应力约为4 ～ 8MPa，个别洞口周边应力集中为9～12MPa，低于C35 混凝土的抗压强度，设计满足受力要求。
5. 3 楼面梁设计
为了提高地下室的施工速度，减少每层施工时的开挖深度，楼面梁采用钢梁。由于各层楼盖有较大的土水侧压力，因此钢梁按照压弯构件设计，截面的腹板高宽比和翼缘宽厚比满足柱的要求。在复核楼面梁受力时，楼板按照200mm 厚弹性板考虑。钢梁的最大压力出现在核心筒部位( 无楼板处) ，约为2 500kN。
6 结语本工程塔楼采用逆作法，在技术上可行，按照预设的进度计划进行施工，可以实现项目的开发目标。目前现场正在进行地下4 层的施工，施工进展顺利。
注：本文转自建筑结构《南京某公寓塔楼逆作法的结构设计与分析》作者：彭丽红， 杨东升， 张文华， 周定，仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！
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