簡介： 本文重點介紹了蘭州國芳大酒店現澆鋼筋砼筒中筒超限高層的結構布置，抗震計算分析，主要抗震措施及有關的結構概念設計。同時對本工程設計中幾個主要問題的處理，也進行了較詳細的討論和介紹，可供同類工程設計時參考。
關鍵字：高層 筒中筒 抗震 預應力

1 工程概況
　　蘭州國芳大酒店位于蘭州市東方紅廣場，是蘭州國際博覽中心二期工程，為一五星級酒店兼商務寫字樓及商場的大型超高層公共建筑�？偨ㄖ�面積約 9 萬 m 2 ，分主樓和裙樓兩部分。其中裙樓為酒店附屬用房，地下兩層，地面以上九層，總高 43.4 米。主樓地下三層，為車庫和六級人防兼設備用房，地面以上 39 層，由辦公、客房及公共用房組成， 1-9 層層高為 4.8 米，標準層層高為 3.1 米和 3.15 米， 39 層為帶夾層的旋轉餐廳，層高 10 米，建筑主體高 144 米。另出屋面設有三層塔樓，建筑總高為 161.9 米，是蘭州市中心繁華區(qū)內最高的一座建筑（見圖 1 ）。該工程抗震設防烈度為 8 度，屬高度超出現行規(guī)范規(guī)定較多的超限高層建筑。按建設部 59 號令的要求，先后通過了全國和省超限高層建筑抗震設防審查委員會對初設和施工圖的抗震設防專項審查。該工程主樓和裙樓間采用了抗震縫，限于篇幅，本文僅介紹主樓部份的結構設計。
2 地基與基礎
　　2.1 基礎持力層的選擇
　　本場地地層結構簡單、穩(wěn)定，建筑場地類別為Ⅱ類。各地層分布自上而下依次為 :
　　1 、雜填土：厚度 0.9~2.5m ，以粉土為主 。
　　2 、卵石層：頂面埋深約 0.9~2.5m ，厚度 4.7~9.7m 。
　　3 、砂巖層：頂面埋深 7.1~12.5m ，未穿透，表層 9m 左右強風化，地基承載力標準值 f k = 500kPa ， E 0 =45MPa ，層面由西向東有一定坡度，下部為微風化， E 0 =85Mpa 。
　　主樓地下三層，強分化砂巖層將成為基礎持力層。這類砂巖有一個很大的特點就是在不受擾動的情況下有很高的承載力和變形模量，而在空氣中暴露遇水后承載力和變形模量有很大降低。蘭州地區(qū)高度在 100m 之內的建筑以該類強分化砂巖層為持力層已是很普遍和成功的做法，但是作為高度 144m 、基底壓力設計值達 800kPa 的建筑物持力在天然地基上是否可行，成為地基選擇中最關心的一個問題。通過以下的一些措施和分析計算，并經多次專家論證后，認為采用天然地基方案是可行的。

1 、加大基礎埋深，將基底標高置于 -15m 左右，一方面可提高上部超高結構的抗傾覆能力，另一方面可將強分化砂巖層表面 2~3m 性能最不好的風化層剔除，且避免由于強分化砂巖層頂面有坡度而使主樓基底一半置于砂巖層表面，而另一半已處于砂巖層下一定深度。盡量使基礎坐落在均勻、性能較好的強分化砂巖上。
2 、由于基礎有較大埋深，經過深寬修正后的地基承載力設計值能夠滿足基底壓力的要求。而對地基變形驗算也表明，最終沉降量很小，約 55mm 。另由于基底下 2m 范圍內因砂巖風化程度不同所引起的差異沉降更小，不存在整體傾斜問題，故地基承載力及變形均能滿足要求。
3 、基坑開挖后進行的原位載荷試驗證明設計所用地基承載力標準值是可靠的。在 5 個試驗點的數據中除 2 個點位由于試驗條件不好，載荷板下砂巖浸水軟化導致承載力極低外，其余 3 個點位承載力很高，加載到 1900kPa 時尚可繼續(xù)加載， p~s 曲線上未出現比例界限。
　　2.2 基礎選型
　　根據上部荷載和地下使用功能，選用剛度較大的箱形基礎（地下第三層）。內外筒間在柱網位置處設置 800mm 厚墻體，基礎底板厚 1200mm 。為增大基礎底面積，減小基底壓力，使外筒柱軸力在基底擴散更加均勻，箱基底板和墻體在外筒柱位置向外挑出 3 米。
　　基礎內力分析受到地基模型、基礎模型、上部結構剛度以及各種參數條件的影響，經常使不同計算方法的結果之間有或多或少的差異。本工程通過簡化手算和專業(yè)軟件 BOX 的彈性地基梁方法相互配合進行多種模型下的基礎內力計算，綜合分析后確定設計內力。
　　主樓和裙房間在地上部分設抗震縫隔開，地下連為整體，并設后澆帶解決二者不均勻沉降問題。
3 上部結構
　　3.1 結構選型及布置
　　3.1.1 結構選型
　　本工程主體高 144 米，平面布置規(guī)則，接近正方形，經技術經濟分析采用現澆鋼筋混凝土筒中筒結構。內筒為剪力墻（平面長寬分別為 21m 和 12.6m ），外筒由密柱高裙梁組成（平面長寬分別為 45m 和 36.6m ）。另結合建筑功能在外筒體四角處布置部分剪力墻，以增強結構抗扭剛度和外筒的整體抗彎能力。標準層結構平面布置見圖 2 。
　　3.1.2 體型參數
　　為保證本工程筒中筒結構的空間受力性能和承載力，設計中對各項參數在滿足建筑功能的前提下，盡量控制在合理范圍內。其中：結構平面長寬比 1.23 ，結構高寬比短向為 3.9 、長向為 3.2 ，內筒高寬比長向為 12.5 、短向為 7.5 ，內筒面積占樓層面積的 16% 。外筒柱距 4.2m ，外筒標準層立面開洞率為 39% ，洞口高寬比 0.64 和層高與柱距之比 0.74 基本接近。
　　3.1.3 主要結構構件
　　外筒柱在底層為適應建筑入口的要求采用 1100x1100mm 方柱，二層至頂層則由 1400x800mm 變至 1400x600 扁柱。
　　內筒外墻在底部 500mm 厚，頂部變?yōu)?400mm 。內隔墻上下均 300mm 。為提高墻體的極限承載力和延性，對不小于 400mm 厚的剪力墻在每層樓面處均設置高為 700mm 暗梁。
　　外框筒梁在底部層高 4.8m 樓層截面大多為 500x1600mm , 層高 3.1m 標準層截面大多為 500x1300mm 。內筒連梁在底部截面大多為墻厚 x1600mm , 標準層截面大多為墻厚 x1000mm 。
　　在南側底層入口及地下車庫入口處都需要形成大柱距空間，因此在該部位底層抽去一根柱，在二層設置高度為一層的轉換梁。在出屋面塔樓和中部層高較大的設備層調整梁高度，以減小層剛度的突變。
　　混凝土強度等級從底部的 C60 逐漸過度到 38 層的 C35 ，旋轉餐廳以上為 C40 。
　　3.2 樓蓋選型
　　該工程內外筒軸線跨度 12m ，樓蓋的選型對使用功能、結構合理性、經濟性影響較大，為此做了多種方案的比較：
　　1 、內外筒間加柱，減小樓蓋跨度，采用普通鋼筋混凝土梁板體系。該方案工藝簡單，自重輕，經濟指標好，設計、施工方便，但建筑使用功能較差，目前國內的筒中筒和框筒結構中較少采用。
　　2 、內外筒間在柱軸線上采用間距 4.2m 的預應力梁，梁間樓板由于跨度小，可用普通鋼筋混凝土板。該方案樓蓋自重輕，經濟指標較好，但梁高對樓層凈空有影響，要求較大層高。
　　3 、內外筒間不設梁，采用“環(huán)形”預應力混凝土平板。該方案結構高度最小，凈空大，在建筑總高不變的情況下，樓層數和建筑面積最多，板底平整美觀，利于管道通行，模板體系也簡單，但樓蓋自重大，內力復雜，樓蓋經濟指標不理想。
　　由于業(yè)主要求在建筑總高限定的情況下有盡可能多的層數，經過多方案比較，在 1 層、 10~39 層辦公和客房部分的樓蓋采用預應力混凝土平板結構（上述第三種方案），板厚 270mm ；在 2~9 層公共用房部分因為要和一期工程連通，層高較大，采用預應力梁、普通鋼筋混凝土板結構（上述第二種方案），梁截面為 400x650mm 。
　　3.3 結構計算與分析
　　3.3.1 結構計算
　　1 、采用 PKPM 系列軟件中的 SATWE 和 TAT 進行了對比分析計算，由于結構較規(guī)則，兩者的總體計算結果接近。但 SATWE 和 TAT 的剪力墻計算模型不同，墻體的局部內力和配筋有些差異，施工圖設計中，采用了更符合實際情況的 SATWE 墻元模型的計算結果。以下是考慮平扭藕連作用的主要分析結果。
　　1) 空間振型的周期： T1=2.41 (Y 方向平動系數 1.0 ) ； T2=2.10 （ X 向平動系數 1.0 ）； T3=1.04 （扭轉系數 1.0 ）。
　　2) X 方向地震作用時：最大層間位移角 1/2328 ；底層剪重比 2.85% 。
　　3) Y 方向地震作用時：最大層間位移角 1/1760 ；底層剪重比 2.74% 。
　　4) 樓層最大層間位移與樓層平均層間位移的比值均在 1.05 之內。
　　2 、進行了多遇地震作用下的彈性時程分析補充計算，選用甘肅省地震局提供的二組實測波和一組場地模擬波，地震加速度時程曲線的最大值為 70cm/s 2 。計算結果顯示時程分析所得的各項結果的平均值，均小于考慮耦連影響的 CQC 法的計算結果。
　　3.3.2 計算結果分析
　　1 、由以上計算結果可看出，結構的周期和位移均在合理范圍內，但結構底層剪重比較小，這主要是結構本身的長周期動力特性和振型分解反應譜法的特點所決定，對地震作用的估計可能偏低。如果仍通過加大構件尺寸來增大剛度，提高地震作用，從經濟性的角度來看是不太合理的。所以本工程對地震作用乘以放大系數 1.25 ，使結構底層剪重比不小于 3.2% 。放大地震作用后的結構位移等參數均能滿足規(guī)范要求，并且放大后的結構地震作用效應基本不小于彈性時程分析的結果，說明按振型分解反應譜法的結果進行結構設計是可靠的。
　　2 、第一扭轉振型的周期小于第一、二平動振型周期的 0.5 倍，結構平扭耦連效應小。另外樓層最大層間位移與樓層平均層間位移的比值均在 1.05 之內，這均說明結構平面布置規(guī)則、對稱、抗扭剛度大。
　　3 、設計中由于外筒有剛度較大的裙梁，角部設有部分剪力墻，使外筒整體抗彎能力大大加強，作為立體構件的工作特點明顯，剪力滯后較小。在水平力作用下，由外筒柱、墻軸力形成的整體彎矩承擔了底部總傾覆力矩的 65% 左右，角部墻體應力和翼緣框架中柱應力的比值在 2 以內，內筒墻體和外筒角部墻體均勻承擔了總剪力的 90% 左右，各構件基本無超筋超限的情況。
　　4 、在水平力作用下，豎向剛度均勻的筒中筒結構的樓層位移曲線一般呈反 S 形，出現最大層間位移角的反彎點一般在房屋高度的中上部。本工程在旋轉餐廳以下符合此規(guī)律，但在旋轉餐廳以上又出現了另一個有著較大層間位移角的反彎點，說明外框筒在 39 層的中斷對結構剛度削弱較大，形成一個薄弱部位。
　　3.4 主要抗震措施
　　前已述及，本工程筒中筒高度 144m ，已超過規(guī)范規(guī)定的最大適用高度的 20% ，存在高度超規(guī)范較多的高度超限問題。另外由于建筑功能要求，豎向存在有剛度突變而引起的薄弱層問題。對于這兩個較突出問題，本工程設計中注重結構概念設計，采取了一些綜合性抗震加強措施，抗震計算結果分析也表明，這些措施的采取是必要的，也是有效的。
　　1 、滿足建筑功能要求的前提下，將主樓與裙樓設縫分開。即避免了主裙樓連為一體而引起的結構豎向剛度的突變，也避免了超高主樓對九層裙樓產生的較大偏心和連為一體后結構受力的復雜性。從而使主樓筒中筒結構的平面布置和豎向布置可盡量滿足規(guī)則性的要求。
　　2 、在房屋四角結合建筑布置，設置部分墻體，增大結構剛度，使其在水平力作用下承擔相應比例的內力，減輕內筒和外柱的最大內力。其效果已在本文 3.3.2 中作了分析。
　　3 、選擇可靠的持力層，加大基礎埋深，由此保證超高建筑的抗傾覆能力。
　　4 、進行專門的場地安全性評價，確保場地地震動參數的可靠性。
　　5 、在彈性階段的抗震驗算中，采用兩種不同的計算模型進行對比分析，同時選用了兩組實測波和一組場地人工波進行彈性動力時程分析的補充計算。
　　6 、增大地震作用下的底層剪重比，提高結構可靠度，使縱橫向剪重比均不小于 3.2% 。
　　7 、采用比規(guī)范更嚴格的抗震措施進行設計，進一步提高結構的變形能力和耗能性能。
　　8 、對主要的薄弱部位重點進行了加強：
　　1) 、底層局部抽柱形成大柱距空間后，采取了嚴格控制底層墻柱軸壓比、提高墻柱配筋和配箍率以及外筒柱均采用了芯柱的措施，同時對框支大梁這一重要構件又按深梁模型補充進行了計算分析，并提高框支梁的配筋和配箍率，加強構造措施，確保其有足夠的安全度。
　　2) 、頂部旋轉餐廳薄弱層的加強措施，在本文 4.2 中有詳細介紹。
　　9 、與蘭州鐵道學院合作，目前正在進行本工程彈塑性時程分析，以驗算罕遇地震下的位移值，并進一步確定薄弱部位，總結筒中筒結構在罕遇地震作用下的受力特點。
4 幾個問題的討論和處理
　　4.1 內外筒間樓蓋對結構剛度的影響
　　本工程為使樓蓋的結構高度最小，內外筒間采用 12m 平板結構，未設梁，這樣內外筒間設梁和不設梁對結構剛度的影響便成為設計中關心的一個問題。為此在確定方案時進行了多次測算，結果顯示在樓蓋結構自重不變的前提下，設梁和不設梁對結構剛度的影響很小，約 2%~5% ，這主要是因為在筒中筒結構中，內外筒是主要抗側力構件，剛度較大，梁對內筒和外筒的約束作用相對就顯得很小。而對于框架 - 筒體結構，外圍疏柱僅能構成四片框架，剛度較小，此時連接內筒和外框架的梁對內筒和外框架的約束作用顯的相對要大，通過對幾個典型平面框架 - 筒體的分析結果顯示，設梁和不設梁對結構側移的影響能達到 20~30% 。
　　4.2 預應力樓蓋的計算分析
　　標準層樓板由于內外筒間無梁，形成一了個“環(huán)形”板，并非簡單的單向板，內力分析較復雜，本工程先后采用簡化處理的單向桿（即等代框架）模型和平面有限元（板元）模型兩種方法對樓蓋進行對比分析。其中等代框架可直接使用 PREC 專業(yè)預應力混凝土結構設計軟件。為使內力計算不受次要因素的干擾，對設計過程有較清晰的控制，在豎向荷載和預應力荷載作用下，采用分層法進行分析，在水平風荷載和地震作用下采用空間分析方法計算，然后進行組合。預應力筋束形采用四段拋物線，角區(qū)斜向布置，平衡荷載約為恒載的 80% 。
　　通過樓板有限元分析，對于不設梁的筒中筒樓蓋，不論在豎向荷載還是在水平荷載下，樓板在和柱連接的部分都會出現應力峰值，因此在設計中除預應力鋼筋均勻排放外，對普通鋼筋在柱軸線上集中布置，并形成暗梁。采用這種布置方法有以下幾個優(yōu)點， 1 ）便于端部預應力筋的單根錨固張拉，減小張拉端穴模對柱節(jié)點區(qū)的不利影響； 2 ）可用普通鋼筋有效的控制應力高峰處的裂縫； 3 ）水平地震作用下的彎矩可主要由延形較好的普通鋼筋承擔。
　　4.3 頂部旋轉餐廳的設計特點
　　主樓 39 層為一帶夾層，層高達 10m 的環(huán)形懸挑式旋轉餐廳（見圖 3 ）。由于建筑功能要求，該層結構設計存在有一定難度，也具有一定特點。
　　1 、為在餐廳形成開闊視野，外圍框筒在 39 層樓面處全部中斷，僅在四角伸出 8 根柱支撐屋面，對于整體結構，由于外圍框筒中斷，使該層承載力和剛度大大降低，樓層變形加大，形成一薄弱層。本文 3.3.2 中已進行了分析。為此在設計中采取以下加強措施來提高該層極限承載力和變形能力： 1 ）提高該層混凝土強度等級，由下層的 C35 提高為 C40 ； 2 ）增加內筒墻體分布筋和暗柱暗梁配筋，大約較下層提高 70% 。 3 ）外圍 8 根柱采用型鋼混凝土柱。
　　2 、旋轉餐廳采用懸挑式結構，樓面梁從外筒挑出長度最大 8m ，跨內又托有一圈圓柱，支撐著上部 5 層樓面，存在樓面轉換問題，受力較大，因而設計中： 1) 在 39 層一圈圓柱底增設環(huán)梁，加強對各圓柱底的嵌固和整體性； 2) 樓面梁采用 650x1400mm 型鋼混凝土梁，并考慮了豎向地震作用，梁中型鋼和內筒按鉸接處理，以便于構造，但配置足夠數量的普通鋼筋抵抗內筒支座處的負彎矩。 3) 樓板厚度增加為 150mm ，采取雙層雙向配筋。
　　3 、旋轉餐廳屋面采用自重輕、跨距大的板式環(huán)形網架，內邊支撐在圓柱牛腿上，外邊支撐在外圍 8 根型鋼混凝土柱上。由于外邊支座較少，有較大的自由邊界，使網架受力復雜化，在四個角區(qū)桿件內力較大，具體設計時對該部位進行了加強。同時對板式環(huán)形網架的計算考慮了豎向地震作用的影響。
　　本文由黃銳和金建民執(zhí)筆。本工程設計得到了全國和省超限高層建筑抗震設防審查委員會徐培福院長、莫庸總工等省內外專家的審查指導，在此表示感謝。

參考文獻
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