UHPC在日本超高层建筑中的发展及应用

前言

     

丹麦Hans Henrik Bache教授于1979年申请专利——超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete,UHPC）并建立DSP理论，法国BOUYGUES公司在1993年成功对UHPC进行标准化、商业化推广。UHPC的抗压强度一般超过120Mpa，抗拉强度可达6～12MPa，以及较高的极限拉伸应变（微应变可达10000）,是一种高韧性、高耐久性、高强度的新型超高性能钢纤维增强水泥基复合材料，实现了工程材料领域的巨大创新。UHPC为混凝土结构向超高层、超大跨度发展和结构形式的不断创新提供了材料基础，配合高强度钢筋的使用有利于结构向轻质高强、高性能化发展，符合“节能减排，绿色低碳”的发展方向。

日本是较早采用预制工业化、装配式建造技术的发达国家之一。经过近60年的持续发展，已经形成了一套完备的装配式建筑设计与建造体系。值得借鉴的是，近30年来，UHPC在日本被大量应用于超高层混凝土装配式建筑中，结合隔震或减震技术，有效减小构件尺寸、提高建筑耐久性，满足业主对于高品质建筑质量的需求，并在多次地震灾害中抗震性能表现优异，成为超高层建造技术发展的重要方向。

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UHPC在日本超高层建筑中的重要性

     

2.1 UHPC及大直径高强度钢筋彰显装配式技术优势

日本建设省于1988～1992年开始“New RC Project”的课题研发，进行了高强混凝土和高强钢筋及结构技术的深入研究，迈出了混凝土结构向超高层建筑发展的重要一步。实际用于超高层建筑的混凝土设计强度已经突破了300N/m ㎡ ，其中与构件厂及总包单位持续的技术研发与创新也是分不开的。开发高强和超高强混凝土预制构件的意义显著，可以减小柱截面尺寸、扩大柱间距、增加梁的跨度、获得大空间，获得更多的使用面积并且节能环保。由于UHPC很难实现现场大体量一次性浇筑，而预制装配式技术弥补了这一技术难题，保障工业化预制构件质量稳定可靠。

日本超高层装配式建筑中常用梁柱纵筋强度为SD390(685N/m ㎡ )、SD490(785N/m ㎡ )，直径多为D29～D41，部分超高强箍筋强度已经达到1200N/m ㎡ ，可以在工厂加工成约束效果更好的形状，以及方形或圆形螺旋箍。大直径高强度钢筋可以有效减少钢筋接头数量、稳定连接质量。纵筋间采用灌浆套筒的连接技术已经在日本得到了成熟的验证。

2.2 集成化装配式技术相对于现浇结构可缩短建造工期

日本严苛的过程管控及验收质量要求，使得现浇结构的施工措施繁复而苛刻，在同等条件下一般需要10～14天/层，现浇结构的不可逆甚至还会造成难以弥补的损失，这让建设方不得不去研发更加安全可控的建造技术。装配式超高层结构的施工大致可以分为：1）安装PC柱→2）安装PC梁→3）安装叠合板并配置上层钢筋→4）浇筑叠合层混凝土，这样四个步骤，大约4～7天/层，这显然尽显装配式技术的优势。成熟的产业工人与高精度的加工技术，让日本企业越来越多地采用瓷砖反打技术，从而逐步取消现场梁柱浇筑作业及外脚手架施工，通过减少现场施工工序进一步缩短建造工期及降低建造成本。

2.3 减隔震技术解决了采用UHPC后主体结构抗侧刚度不足的问题

日本地震活跃，结构设计难度相对较高，60m以上的建筑被称之为超高层建筑，200米以下多采用RPC（PC框架结构）和WRPC（PC框架核心筒结构），200米以上一般为WRPC结构，并配合减隔震技术。

UHPC及高强钢筋在超高层建筑中的应用虽然技术优势明显，但会带来结构整体抗侧刚度降低的问题，这对于处于地震高烈度区的日本是不安全的。减隔震技术的成功应用可以耗散地震能量，通过集中在隔震层的变形，从而减小建筑的加速度和位移反应，这有效地减小了隔震层以上的上部预制结构的受力与变形。日本企业在持续进行隔震装置的研发与应用，隔震装置向高强度、高性能、多维度等方向发展，建筑企业可以在缓慢建设周期中享受到技术发展的红利。

2.4 构件企业持续技术研发，预制构件质量可靠

日本的预制构件厂大都隶属于大型建筑总承包公司，拥有独立的研发机构和技术研发人员，可持续进行产品工艺改进与新技术研发，从而形成拥有自主知识产权的工艺工法，在相对狭窄的市场竞争中，提高技术附加值和产品竞争力。不同于国内构件厂的流水线生产，日本由于PC构件年需求量有限，大都仍采用固定台模生产为主。

日本预制建筑协会PC构件质量认证制度，一方面保障了预制构件的加工质量，另一方面减缓了构件厂之间同质化竞争压力，有限的竞争环境可以让构件厂有能力将部分企业利润投入到技术研发与生产改进。PC构件须经权威机构认定，结构设计方案须经日本国土交通省审查通过。

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UHPC构件设计特点

     

由于竞争机制，日本的UHPC主要是由大型建筑公司开发研制。UHPC与普通混凝土相比其胶凝材料用量、水胶比、骨料类型、掺杂纤维的种类等方面存在较大差异，UHPC具有特殊的材料性能必然导致其与钢筋的粘结性能发生改变。

PP纤维外加剂改善UHPC耐火性能

添加外加剂后的UHPC构件耐火试验对比

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日本超高层建筑建造中UHPC应用实例

     

4.1 实例一

某办公楼建筑，2012年2月竣工，地上37层，地下2层，高129.75m，标准层平面长×宽为53.2m×37.3m。结构体系为RC框架束筒（RPC）隔震结构，采用中间层隔震（三层），隔震层由铅芯隔震支座（D1300）、油压阻尼器构成。

四层以上采用预制框架柱、梁、空心叠合板、预制楼梯等装配式技术。柱砼强度为Fc=100N/m ㎡ ～36N/m ㎡ ，主筋直径D32～D41（D32:685N/m ㎡ ，D35～D41：785N/m ㎡ ）。施工现场简捷高效。

竣工立面图

结构平面图

隔震层设置

铅芯隔震支座

     

梁柱节点与PC梁同时预制      

     

     

PC柱安装后再浇筑叠合层      

     

     

安装PC梁及节点      

     

     

叠合板吊装      

     

4.2 实例二

某超高层住宅楼位于东京都新宿区，2017年7月竣工，地上60层，地下2层，建筑高度208.97m。结构体系为RC框架核心筒（WRPC，部分采用PS-PC工法，部分结构为S造）+减震结构。预制柱砼强度为Fc=120N/m ㎡ ～30N/m ㎡ ，主要柱尺寸为1m×1m,最大柱纵筋直径D41（SD490、USD685），最大箍筋强度1275N/m ㎡ 。楼板采用预应力预制空心叠合楼板（板厚300～500mm）。

施工现场

平面图

4.3 实例三

某大型商业总合体，2023年3月底竣工，地上64层，地下5层，高325.2m，标准层平面长×宽为66.2m×44.5m。结构体系为RC框架核心筒（WRPC，部分为SRC）减震结构、油压阻尼器、粘性钢板阻尼墙构成。

预制柱梁从基础顶开始预制，预制柱砼强度Fc=120N/m ㎡ ～42N/m ㎡ ，柱纵筋直径由下向上分别采用UD41～HD38（强度USD590B～SD490），预制梁砼强度Fc=60N/m ㎡ ～36N/m ㎡ 。最大预制柱尺寸达到1.52m×3.2m，为控制构件重量，预制柱在层高范围内采取多段预制。主要楼板厚度为250mm～400mm，采用预制空心叠合楼板。柱与柱梁节点装配采用了SQRIM-H工法，这种工法的优点是：①预制构件形状简单，加工及安装简便，提高效率，保障构件品质，具有良好的经济性；②构件拆分自由，重量均等，容易选择塔吊；③四个方向均可拆分安装，通用性大幅提高；④由于外围框架柱也可灵活拆分，不再需要现场支模施工，可以实现无外脚手架施工。

4.4 实例四

某超高层住宅项目位于川崎市，2008年竣工，地上49层地下2层，建筑高度155.27m。结构体系为RC框架（RPC）+减震结构。柱采用UHPC工厂加工，砼强度自下往上为Fc=200～30N/m ㎡ ，UHPC柱在蒸养槽内90±5℃环境下高温养护120h以上。预制柱断面全高度统一为1m×1m，标准化尺寸节约了构件模具成本，有利于内装标准以及户内使用面积统一，从而便于销售，还提高了现场吊装与安装的效率。

立面效果图   UHPC柱加工 UHPC柱高温养护

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结语

     

日本从20世纪60年代就开始了混凝土建筑工业化生产方式的研究，早期以多高层建筑为主，90年代末期UHPC开始市场化应用，1999年超高层建筑仙台MT大楼所采用的隔震技术得到广泛认可，装配式技术开始有力助推超高层混凝土建筑的发展，与此同时，日本产业结构也发生重大变化，建筑业从量过度到对建筑品质的追求，这时，装配式技术的建造工期、高强材料应用、建造质量、可持续发展、节能环保等方面优势开始超越现场浇筑施工技术，形成完整的超高层预制装配式技术体系。尤其近十年来，中国的装配式技术已犹如雨后春笋得到大力发展与应用，但目前主要集中在多高层建筑中，超高层领域还鲜有高预制率结构出现，日本在该领域的先进成果是值得我们在发展中借鉴的重要经验。