广州新电视塔超高层钢―混组合结构技术应用研究

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摘要：广州新电视塔高610米，结构体系由钢管混凝土外框筒与钢骨劲性柱混凝土核心筒及钢梁压型钢板混凝土组合楼板构成，为超高层钢-混组合结构，本文结合作者在广州新电视塔工程的工作实践，从结构模型分析、科研试验、现场施工质量控制等阶段，对超高层钢-混组合结构技术应用进行总结及分析。经检验，工程质量达到了设计及规范的要求，并取得良好预期效果，获得了包括鲁班奖、詹天佑奖等多项国家、省、市奖项。

关键词：钢；混凝土；结构工程；施工技术

1引言

超高层钢-混组合结构是介于高层钢结构及混凝土结构之间的一种新型结构，由于能适应现代工程结构向高耸、重载、大跨发展及承受恶劣条件的需要，正被越来越广泛地应用于超高层建筑、大跨度桥梁及大型地下结构工程，取得良好经济效益及建筑效果，是结构工程科学的一个重要发展方向。

钢-混凝土组合结构利用钢及混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，即：钢构件对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂的三向应力状态，提高混凝土强度并大大改善塑性和韧性；混凝土使钢构件避免或延缓发生局部屈曲，保证材料性能充分发挥。以圆钢管套箍混凝土（Steel Tube-Confined Concrete，英文缩写STCC）为例进行单元体应力分析，在外加轴向荷载下，因组合作用，核心混凝土及外套箍钢管两种材料均处于复杂的三向受力状态（如图1.1所示），使核心混凝土具有更高的抗压强度及压缩变形能力，能避免混凝土过早出现纵向裂缝，同时核心混凝土施加的三向应力，增强了钢管壁的几何稳定性，改变空钢管的失稳模态，提高承载能力。

钢-混凝土组合结构具有①良好的耐火性能。根据国外一些工程实例研究，在发生火灾事故后钢-混组合结构整体稳定性一直保持良好，基本能避免重大坍塌事故[1]。②能充分发挥钢材及混凝土两种材料的性能，与钢筋混凝土结构相比，能节省50%的混凝土且减轻结构自重；与钢结构相比，可节约50%的钢材。③具有良好的经济效果。澳大利亚工程师Webb和Peyton通过计算研究，分析出高层建筑不同类型钢-混组合结构的经济效果均高于钢筋混凝土结构，且随着层高增加优势越明显[2]。④钢构件可作混凝土浇捣模板（如浇捣钢梁压型钢板组合楼盖、钢管混凝土等），节省模板费用，加快施工速度。

2工程概况

广州新电视塔高610m，由454m主塔体及156m天线桅杆构成，建筑结构是由一个向上延伸、旋转、缩放的椭圆形钢外壳不断变化形成，作为广州市的标志性建筑，新电视塔矗立于城市的新中轴线上，工程用地面积为175460m2，总建筑面积为114 054m2，建成后为世界第一高塔（图2.1）。

3结构体系分析

电视塔主体结构体系由钢结构外筒、椭圆形混凝土核心筒、连接这两者的钢-混组合结构楼板以及塔体顶部钢结构桅杆天线构成。

3.1钢骨劲性柱混凝土核心筒。

核心筒沿周边设置了14根劲性钢骨型钢以加强混凝土核心筒的刚度、改善混凝土的收缩和压缩变形，同时也易于楼层钢梁与混凝土墙壁的节点连接，核心筒外墙

墙厚由底部800mm变化至顶部500mm，核心筒的混凝土结构强度等级为C60。

3.2钢结构外框筒。

钢结构外筒从地下二层柱定位点沿直线至塔顶部相应的柱定位点，由24根钢管混凝土组合柱、46组环梁及斜撑三种构件组成（图3.1）。其中钢管混凝土组合柱在+5.0 m以下采用小于2 m的等截面钢管，在+5.0 m以上则采用直径从2 m渐变至1.2 m的锥形管，每根钢管的倾斜角度约7°，钢管壁厚从底至顶分别为50 mm、40 mm 和 30 mm，钢管在基础面 至126.4 m（即12环及以下）标高段填充 C60混凝土；在126.4 tn ～ 308.4 m（即13环至33环）标高段填充C50混凝土；在308.4m以上（即34环及以上）标高段填充C45混凝土。斜撑和环梁与钢管混凝土组合柱连接，加强结构的整体受力及刚度，成为塔体主要的抗侧移构件，对超高层建筑抵抗风和地震效应起关键作用。

3.3钢梁压型钢板混凝土组合楼层。

连接核芯筒及外框筒的组合楼层采用型钢梁、自承式钢模板及钢筋混凝土组合结构，楼层压型钢板肋垂直于钢梁，栓钉连接件穿透压 型钢板和钢梁的上翼缘焊接，利用压型钢板作为模板上浇钢筋混凝土的方式形成钢-混组合楼板（图3.2），钢梁两端与核心筒外加劲性钢骨柱及外框筒钢管混凝土柱相连，楼层荷载通过钢梁传递至内核心筒、及外框筒上。

3.4钢结构桅杆天线。

为格构式钢结构，通过454米天面层转换桁架与外筒钢管混凝土柱铰接。

4结构模型分析

为准确研究超高层钢-混结构在各种不利荷载之下的承载力及变形情况，我们委托设计公司ARUP进行一系列的结构模型分析，明确结构在重力、风力、温度、地震等工况下结构的水平变形和竖向变形，以及不均匀变形等，对构件在非地震和地震组合情况下的承载力进行检查，保证主要构件的应力水平满足规范要求。对施工过程及其对结构的影响做进一步的研究，针对施工过程分阶段进行施工模拟。了解施工过程各阶段的结构内力和变形情况，作为施工控制的参考。对塔体结构的非线性稳定性、性能化抗震设计和节点的有限元进行详细的分析和论证，以判断塔体结构是否出现整体或局部失稳，校核构件的强度和稳定性，同时对塔体结构在极端条件下的结构安全性分析，保证塔体结构在极端条件下的安全。

4.1温度影响模拟分析及处理措施。

由于广州新电视塔由钢与混凝土两种不同材料组成，温度对结构会产生不均匀变形，且这种局部变形会沿着塔体高度方向逐渐累计，对整体结构有着很大影响，因此必须采用有效手段对电视塔的温度变形进行分析。我们采用了CIBSE认证的程序IES（Integrated Environmental Solutions），利用显式迭代法计算非稳态热平衡方程，对广州新电视塔各层钢管混凝土立柱、环梁、斜撑及核心筒的表面温度进行逐时动态热模拟分析（图4.1）。根据分析结果，内外筒体之间存在钢-混凝土两种材料的不均匀温度变形，最大不均匀沉降区域在+334.4m位置，当时根据分析结果对设计进行调整，在不均匀沉降较小区域，楼层主梁与内、外筒之间的连接节点采用椭圆形螺栓铰接连接，通过少量滑动释放变形影响（图4.2）；在不均匀沉降变形较大区域，当主梁跨度小于4米时，主梁为由内筒伸出的悬臂梁，当楼层主梁跨度介于4～8米时，在与外筒连接时采用抗剪销钉连接，通过少量转动释放变形影响（图4.3）。