【建筑圈的结构事】广州东塔结构设计介绍

一、项目概况

广州东塔（Canton East Tower）由香港周大福集团直接投资，耗资超100亿元人民币。

广州东塔建筑高度530m，结构屋面高度518m，地上111层，地下5层，主要功能为五星级酒店及餐饮、服务式公寓、甲级写字楼、商业等。

东塔94层配备有泳池和水疗室，顾客可体验在500米高空中游泳的感觉。

建筑顶部采取“之”字形退台设计，形成3个露天观景台：

底部的办公区顶部平台在66层朝西，可以看夕阳西落；

中部的国际公寓区顶部平台在91层朝东，可以看日出东方；

对景观要求最高的五星级酒店平台在107层，平台完全开敞，可朝东南西面远望，既可看日出日落，又可欣赏珠江。

本工程建筑方案设计为美国KPF建筑事务所，结构设计由奥雅纳全程参与，广州市设计院负责审图及出图工作。

二、结构方案

广州东塔典型楼层平面为58.1mX58.1m，核心筒平面尺寸为32.7mX32.7m。

在方案设计阶段，主要对比了筒中筒结构、巨型桁架-核心筒结构、带伸臂的巨型框架-核心筒结构和带伸臂的筒中筒结构。

四个对比方案

主要对比结论如下所示：

虽然带伸臂巨型框架-核心筒结构具有最高的造价和较大的施工难度，但由于其具备最大的楼层平面开放度、最高的空间利用效率、最灵活的幕墙设计和最好的景观可视性，因此，最终选择了此方案。

三、结构体系

带伸臂桁架的巨型框架-核心筒结构由钢筋混凝土核心筒、矩形钢管混凝土柱与6道双层空间环桁架组成的巨型框架、连接核心筒和巨型框架的4道伸臂桁架组成。

结构抗侧力体系

由于建筑立面收进，在酒店区，抗侧体系通过环桁架过渡为常规框架-核心筒结构体系。


 

塔楼收进处处理

3.1 


巨柱

巨型柱采用内灌C80高强混凝土的钢管混凝土柱，可提供巨大的轴向刚度，与多道伸臂桁架共同作用，有效抵抗侧向荷载产生的倾覆力矩。 

巨型柱截面

巨型柱在底部最大轮廓尺寸为3.5mX5.6m，整体采用分腔组合的形式，并在钢管壁上设置栓钉和竖向、水平向加劲板，竖向加劲板间距较大时采用对拉筋增加整体性。

低区巨柱受力巨大，除了采用普通钢管混凝土柱、加劲钢管内灌混凝土之外，还在腔内配置了一定数量的钢筋。

其目的为：1）提高柱的整体刚度；2）改善钢管腔内混凝土的延性；3）控制腔内素混凝土的收缩和徐变；4）提高柱的防火性能。

京基100也采用类似的钢管混凝土巨柱，为单腔式，中间用钢筋拉结。

在施工图阶段，内灌混凝土也由C60调整为C80.目前所介绍的几个项目，有三个采用型钢混凝土巨柱（上海中心、上海环球金融中心、平安金融中心），两个采用钢管混凝土巨柱（京基100、广州东塔）。

3.2


环桁架

双层空间环桁架，能有效提高外框的抗侧刚度。


平安金融中心也采用类似的空间环桁架，由于巨柱截面非常大，采用桁架梁是比较经济的做法。 

双层空间环桁架

3.3


核心筒

从减轻结构自重、扩大建筑使用面积、提高墙体承载力和满足抗震性能目标的要求出发，在核心筒外墙底部区域采用


内嵌双层钢板混凝土组合剪力墙





，采用C80高强混凝土。这些措施的采用，有效减少了核心筒外墙厚度。

钢板剪力墙的钢板厚度主要由重力荷载设计值的轴压比限值、大震不屈服剪压比设计要求以及整体结构的侧向刚度需求控制，并满足《高规》对钢板混凝土剪力墙最小和最大钢板厚度等构造要求。

注：1）《高规》11.4.15条：钢板混凝土剪力墙体中的钢板厚度不宜小于10mm，也不宜大于墙厚的1/15；


 

低区核心筒双层钢板剪力墙布置图

低区典型钢板剪力墙截面 

双层钢板剪力墙的主要构造包括如下几个方面：

1）实际设计中考虑到钢板外部混凝土的厚度为400~ 500mm，以保证钢筋的设置、施工、连接和整体性；

2）内置钢板的外皮按构造和传力要求设置栓钉；

3）钢板每隔一定距离采用横向贯通肋以增强双层钢板的整体性，同时钢材也可以降低混凝土的应力水平；

4）当贯通肋间距较大时，在纵向钢板上设置局部稳定的竖向加劲肋；

5）在楼层梁标高处和楼层中间设置水平加劲板，并保证加劲板间距不大于2.5m；

6）考虑双层钢板在墙身中部对外侧混凝土形成较大变形约束，同时作为特一级设计的剪力墙，墙身外侧分布钢筋按0.4%采用。

双层钢板剪力墙由于采用内埋钢板的形式，因此外墙与内墙、楼面梁与墙身等节点连接构造与普通型钢混凝土组合剪力墙类似。

C80


混凝土的问题

高强混凝土具有脆性大的缺点，用在钢筋混凝土抗震结构中延性较普通混凝土差，需要采用改善措施。在广州东塔项目中，主要采用了三种措施：

1）核心筒外墙中内嵌双层或单层钢板，形成钢板混凝土组合剪力墙；

2）墙体的轴压比限值比混凝土规范降低0.05，即按0.45控制；

3）巨型柱采用多腔巨型钢管混凝土柱，钢管壁对混凝土起到有效约束作用。

另外，根据钢板混凝土组合墙体试验结果，将墙体的横向和竖向分布筋的配筋率提高到0.6%，减小钢筋间距使之不大于200mm，同时加强边缘构件配筋，高于混凝土规范要求。

当前规范规定：剪力墙混凝土强度等级不宜超过C60，所以，平常接触到的项目，混凝土强度等级基本不会高于C60，但《广东省高规》有所放宽，剪力墙也可以使用C60以上的混凝土，代价是要加大配筋。

比如，约束边缘构件抗震等级为一、二、三级时，纵筋配筋率分别为1.6%、1.4%和1.2%，而对应的C60及以下混凝土，配筋率分别为1.2%、1.0%和1.0%；

3.4


伸臂

在方案设计阶段，针对伸臂的数量、位置及形式进行大量敏感性分析，决定在第1、2、4、6道环桁架处（同时为机电层和避难层）设置4道伸臂桁架，每道伸臂桁架跨越2个楼层。

四、防火设计及施工

广州东塔巨柱框架结构采用八根巨柱，根据受力变化情况，截面尺寸由3.5mX5.6m逐渐减小至1.1mX2.4m。按照防火规范要求，一级耐火等级高层建筑中，柱应采用耐火极限不低于3h的不燃烧体。

对于这种超大截面尺寸的钢管混凝土巨柱，

常用的防火保护方法有两种：一种是钢管外壁涂刷非膨胀型防火涂料，另一种是采用金属网抹水泥砂浆作为钢管混凝土的保护层。

广州东塔选用金属网抹50mm厚M5水泥砂浆（厚度根据ANSYS有限元计算分析所得）对钢管混凝土柱进行防火保护，以满足3h耐火极限的要求。

同时，为保证发生火灾时核心混凝土中水蒸气的排放，巨柱的


钢管壁（注意是钢管壁，与施工阶段设置在水平劲板角部的排气孔不同）





按钢结构规范要求每个楼层均设置直径20mm的排气孔。



 

钢管混凝土柱防火层做法（50mm厚砂浆防火层）

五、核心筒超前施工的相关问题

核心筒墙体先行施工，外框的钢梁可采用在墙体内预埋件后连接的方式，而核心筒内的混凝土梁板结构只能采取墙内预留钢筋，后期再进行钢筋连接施工。

对于板筋，核心筒施工时，板筋（俗称“胡子筋”）预留在墙体内设计标高并做好固定，将墙外水平段弯折在墙体内并紧贴模板，后期施工时将弯折板筋凿出并与楼板钢筋连接。


这种方法适用于延性较大的小直径钢筋。

板筋与核心筒关系处理

核心筒施工时，梁钢筋及连接钢筋套筒预埋在设计位置并做好固定，套筒紧贴模板，并做好套筒包裹保护，后期施工时凿出钢筋连接套筒，进行梁筋连接。

根据材料性能报告，在机械连接施工质量有保证的情况下，机械连接抗拉和抗剪承载力不低于整根钢筋，但是同截面施工缝存在，混凝土梁的承载能力可靠性有所降低，应该酌情增加梁配筋以弥补施工缝处抗剪和抗弯损失。 

梁筋与核心筒关系处理

由于墙体或连梁有钢骨、暗柱或配筋较密，直径困难。

为避免大量植筋，设计宜考虑将不重要的框架梁进行弯矩调幅，或者按照两端铰接梁来重新设计，增大底筋，减小面筋，而增加的底筋可以根据梁弯矩包络图，将部分底筋不入支座或者在梁端搭接小直径钢筋，而小直径钢筋用构造锚固深度植筋。

钢筋混凝土梁与含钢骨的墙、柱连接，其方法很多。

植筋位置钢筋过密或者存在钢骨阻碍导致植筋深度不够，可用“大直径换小直径法”。

为避免基材混凝土整体拔出破坏，植筋间距至少5d，植筋间距远大于通常的预埋钢筋间距（1.5d或30mm），导致植筋的钢筋排数多，靠近梁中性轴。

故设计应复核植筋的承载力，而不是简单的等面积代换。

这点需要注意，高宽比比较小的梁，纵筋配了两排或者三排时，也应复核抗弯承载力。