酒店筒中筒超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計

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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(wù)寫字樓及商場的大型超高層公共建筑?？偨ㄖ娣e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(shè)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(biāo)準(zhǔn)層層高為 3.1 米和 3.15 米， 39 層為帶夾層的旋轉(zhuǎn)餐廳，層高 10 米，建筑主體高 144 米。另出屋面設(shè)有三層塔樓，建筑總高為 161.9 米，是蘭州市中心繁華區(qū)內(nèi)最高的一座建筑（見圖 1 ）。該工程抗震設(shè)防烈度為 8 度，屬高度超出現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定較多的超限高層建筑。按建設(shè)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(shè)防審查委員會對初設(shè)和施工圖的抗震設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計。 
    2、地基與基礎(chǔ) 
    2.1 基礎(chǔ)持力層的選擇 
    本場地地層結(jié)構(gòu)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(qiáng)風(fēng)化，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值 f k = 500kPa ， E 0 =45MPa ，層面由西向東有一定坡度，下部為微風(fēng)化， E 0 =85Mpa 。 
    主樓地下三層，強(qiáng)分化砂巖層將成為基礎(chǔ)持力層。這類砂巖有一個很大的特點(diǎn)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(nèi)的建筑以該類強(qiáng)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(shè)計值達(dá) 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(guān)心的一個問題。通過以下的一些措施和分析計算，并經(jīng)多次專家論證后，認(rèn)為采用天然地基方案是可行的。 
    1 、加大基礎(chǔ)埋深，將基底標(biāo)高置于 -15m 左右，一方面可提高上部超高結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，另一方面可將強(qiáng)分化砂巖層表面 2~3m 性能最不好的風(fēng)化層剔除，且避免由于強(qiáng)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(chǔ)坐落在均勻、性能較好的強(qiáng)分化砂巖上。 
    2 、由于基礎(chǔ)有較大埋深，經(jīng)過深寬修正后的地基承載力設(shè)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(nèi)因砂巖風(fēng)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(jìn)行的原位載荷試驗證明設(shè)計所用地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值是可靠的。在5個試驗點(diǎn)的數(shù)據(jù)中除 2 個點(diǎn)位由于試驗條件不好，載荷板下砂巖浸水軟化導(dǎo)致承載力極低外，其余3個點(diǎn)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(xiàn)比例界限。 
    2.2 基礎(chǔ)選型 
    根據(jù)上部荷載和地下使用功能，選用剛度較大的箱形基礎(chǔ)（地下第三層）。內(nèi)外筒間在柱網(wǎng)位置處設(shè)置 800mm 厚墻體，基礎(chǔ)底板厚1200mm 。為增大基礎(chǔ)底面積，減小基底壓力，使外筒柱軸力在基底擴(kuò)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(chǔ)內(nèi)力分析受到地基模型、基礎(chǔ)模型、上部結(jié)構(gòu)剛度以及各種參數(shù)條件的影響，經(jīng)常使不同計算方法的結(jié)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(jìn)行多種模型下的基礎(chǔ)內(nèi)力計算，綜合分析后確定設(shè)計內(nèi)力。 
　　主樓和裙房間在地上部分設(shè)抗震縫隔開，地下連為整體，并設(shè)后澆帶解決二者不均勻沉降問題。 
    3、上部結(jié)構(gòu) 
    3.1 結(jié)構(gòu)選型及布置 
    3.1.1 結(jié)構(gòu)選型 
    本工程主體高 144 米，平面布置規(guī)則，接近正方形，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)。內(nèi)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(jié)合建筑功能在外筒體四角處布置部分剪力墻，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭剛度和外筒的整體抗彎能力。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置見圖 2 。 
    3.1.2 體型參數(shù) 
    為保證本工程筒中筒結(jié)構(gòu)的空間受力性能和承載力，設(shè)計中對各項參數(shù)在滿足建筑功能的前提下，盡量控制在合理范圍內(nèi)。其中：結(jié)構(gòu)平面長寬比 1.23 ，結(jié)構(gòu)高寬比短向為 3.9 、長向為 3.2 ，內(nèi)筒高寬比長向為 12.5 、短向為 7.5 ，內(nèi)筒面積占樓層面積的 16% 。外筒柱距 4.2m ，外筒標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)構(gòu)件 
    外筒柱在底層為適應(yīng)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(nèi)筒外墻在底部 500mm 厚，頂部變?yōu)?400mm 。內(nèi)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)層截面大多為 500x1300mm 。內(nèi)筒連梁在底部截面大多為墻厚 x1600mm , 標(biāo)準(zhǔn)層截面大多為墻厚 x1000mm 。 
    在南側(cè)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(shè)置高度為一層的轉(zhuǎn)換梁。在出屋面塔樓和中部層高較大的設(shè)備層調(diào)整梁高度，以減小層剛度的突變。 
    混凝土強(qiáng)度等級從底部的 C60 逐漸過度到 38 層的 C35 ，旋轉(zhuǎn)餐廳以上為 C40 。 
    3.2 樓蓋選型 
    該工程內(nèi)外筒軸線跨度 12m ，樓蓋的選型對使用功能、結(jié)構(gòu)合理性、經(jīng)濟(jì)性影響較大，為此做了多種方案的比較： 
    1 、內(nèi)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(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，設(shè)計、施工方便，但建筑使用功能較差，目前國內(nèi)的筒中筒和框筒結(jié)構(gòu)中較少采用。 
    2 、內(nèi)外筒間在柱軸線上采用間距 4.2m 的預(yù)應(yīng)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(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，但梁高對樓層凈空有影響，要求較大層高。 
    3 、內(nèi)外筒間不設(shè)梁，采用“環(huán)形”預(yù)應(yīng)力混凝土平板。該方案結(jié)構(gòu)高度最小，凈空大，在建筑總高不變的情況下，樓層數(shù)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(nèi)力復(fù)雜，樓蓋經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(shù)，經(jīng)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(yù)應(yīng)力混凝土平板結(jié)構(gòu)（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(yù)應(yīng)力梁、普通鋼筋混凝土板結(jié)構(gòu)（上述第二種方案），梁截面為 400x650mm 。 
    3.3 結(jié)構(gòu)計算與分析 
    3.3.1 結(jié)構(gòu)計算 
    1 、采用 PKPM 系列軟件中的 SATWE 和 TAT 進(jìn)行了對比分析計算，由于結(jié)構(gòu)較規(guī)則，兩者的總體計算結(jié)果接近。但 SATWE 和 TAT 的剪力墻計算模型不同，墻體的局部內(nèi)力和配筋有些差異，施工圖設(shè)計中，采用了更符合實際情況的 SATWE 墻元模型的計算結(jié)果。以下是考慮平扭藕連作用的主要分析結(jié)果。 
    1) 空間振型的周期： T1=2.41 (Y 方向平動系數(shù) 1.0 ) ； T2=2.10 （ X 向平動系數(shù) 1.0 ）； T3=1.04 （扭轉(zhuǎn)系數(shù) 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(nèi)。 
    2 、進(jìn)行了多遇地震作用下的彈性時程分析補(bǔ)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(jié)果顯示時程分析所得的各項結(jié)果的平均值，均小于考慮耦連影響的 CQC 法的計算結(jié)果。 
    3.3.2 計算結(jié)果分析 
    1 、由以上計算結(jié)果可看出，結(jié)構(gòu)的周期和位移均在合理范圍內(nèi)，但結(jié)構(gòu)底層剪重比較小，這主要是結(jié)構(gòu)本身的長周期動力特性和振型分解反應(yīng)譜法的特點(diǎn)所決定，對地震作用的估計可能偏低。如果仍通過加大構(gòu)件尺寸來增大剛度，提高地震作用，從經(jīng)濟(jì)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(shù) 1.25 ，使結(jié)構(gòu)底層剪重比不小于 3.2% 。放大地震作用后的結(jié)構(gòu)位移等參數(shù)均能滿足規(guī)范要求，并且放大后的結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)基本不小于彈性時程分析的結(jié)果，說明按振型分解反應(yīng)譜法的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計是可靠的。 
    2 、第一扭轉(zhuǎn)振型的周期小于第一、二平動振型周期的 0.5 倍，結(jié)構(gòu)平扭耦連效應(yīng)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(nèi)，這均說明結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則、對稱、抗扭剛度大。 
    3 、設(shè)計中由于外筒有剛度較大的裙梁，角部設(shè)有部分剪力墻，使外筒整體抗彎能力大大加強(qiáng)，作為立體構(gòu)件的工作特點(diǎn)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(dān)了底部總傾覆力矩的 65% 左右，角部墻體應(yīng)力和翼緣框架中柱應(yīng)力的比值在 2 以內(nèi)，內(nèi)筒墻體和外筒角部墻體均勻承擔(dān)了總剪力的 90% 左右，各構(gòu)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(jié)構(gòu)的樓層位移曲線一般呈反 S 形，出現(xiàn)最大層間位移角的反彎點(diǎn)一般在房屋高度的中上部。本工程在旋轉(zhuǎn)餐廳以下符合此規(guī)律，但在旋轉(zhuǎn)餐廳以上又出現(xiàn)了另一個有著較大層間位移角的反彎點(diǎn)，說明外框筒在 39 層的中斷對結(jié)構(gòu)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(shè)計中注重結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，采取了一些綜合性抗震加強(qiáng)措施，抗震計算結(jié)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(shè)縫分開。即避免了主裙樓連為一體而引起的結(jié)構(gòu)豎向剛度的突變，也避免了超高主樓對九層裙樓產(chǎn)生的較大偏心和連為一體后結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性。從而使主樓筒中筒結(jié)構(gòu)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(jié)合建筑布置，設(shè)置部分墻體，增大結(jié)構(gòu)剛度，使其在水平力作用下承擔(dān)相應(yīng)比例的內(nèi)力，減輕內(nèi)筒和外柱的最大內(nèi)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(chǔ)埋深，由此保證超高建筑的抗傾覆能力。 
    4 、進(jìn)行專門的場地安全性評價，確保場地地震動參數(shù)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(jìn)行對比分析，同時選用了兩組實測波和一組場地人工波進(jìn)行彈性動力時程分析的補(bǔ)充計算。 
    6 、增大地震作用下的底層剪重比，提高結(jié)構(gòu)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(yán)格的抗震措施進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的變形能力和耗能性能。 
    8 、對主要的薄弱部位重點(diǎn)進(jìn)行了加強(qiáng)： 
    1) 、底層局部抽柱形成大柱距空間后，采取了嚴(yán)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(gòu)件又按深梁模型補(bǔ)充進(jìn)行了計算分析，并提高框支梁的配筋和配箍率，加強(qiáng)構(gòu)造措施，確保其有足夠的安全度。 
    2) 、頂部旋轉(zhuǎn)餐廳薄弱層的加強(qiáng)措施，在本文 4.2 中有詳細(xì)介紹。 
    9 、與蘭州鐵道學(xué)院合作，目前正在進(jìn)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(jìn)一步確定薄弱部位，總結(jié)筒中筒結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的受力特點(diǎn)。
    4、幾個問題的討論和處理 
    4.1 內(nèi)外筒間樓蓋對結(jié)構(gòu)剛度的影響 
    本工程為使樓蓋的結(jié)構(gòu)高度最小，內(nèi)外筒間采用 12m 平板結(jié)構(gòu)，未設(shè)梁，這樣內(nèi)外筒間設(shè)梁和不設(shè)梁對結(jié)構(gòu)剛度的影響便成為設(shè)計中關(guān)心的一個問題。為此在確定方案時進(jìn)行了多次測算，結(jié)果顯示在樓蓋結(jié)構(gòu)自重不變的前提下，設(shè)梁和不設(shè)梁對結(jié)構(gòu)剛度的影響很小，約 2%~5% ，這主要是因為在筒中筒結(jié)構(gòu)中，內(nèi)外筒是主要抗側(cè)力構(gòu)件，剛度較大，梁對內(nèi)筒和外筒的約束作用相對就顯得很小。而對于框架 - 筒體結(jié)構(gòu)，外圍疏柱僅能構(gòu)成四片框架，剛度較小，此時連接內(nèi)筒和外框架的梁對內(nèi)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(jié)果顯示，設(shè)梁和不設(shè)梁對結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響能達(dá)到 20~30% 。 
    4.2 預(yù)應(yīng)力樓蓋的計算分析 
    標(biāo)準(zhǔn)層樓板由于內(nèi)外筒間無梁，形成一了個“環(huán)形”板，并非簡單的單向板，內(nèi)力分析較復(fù)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(jìn)行對比分析。其中等代框架可直接使用 PREC 專業(yè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件。為使內(nèi)力計算不受次要因素的干擾，對設(shè)計過程有較清晰的控制，在豎向荷載和預(yù)應(yīng)力荷載作用下，采用分層法進(jìn)行分析，在水平風(fēng)荷載和地震作用下采用空間分析方法計算，然后進(jìn)行組合。預(yù)應(yīng)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(shè)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(xiàn)應(yīng)力峰值，因此在設(shè)計中除預(yù)應(yīng)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(diǎn)， 1 ）便于端部預(yù)應(yīng)力筋的單根錨固張拉，減小張拉端穴模對柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的不利影響； 2 ）可用普通鋼筋有效的控制應(yīng)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(dān)。 
    4.3 頂部旋轉(zhuǎn)餐廳的設(shè)計特點(diǎn) 
    主樓 39 層為一帶夾層，層高達(dá) 10m 的環(huán)形懸挑式旋轉(zhuǎn)餐廳（見圖 3 ）。由于建筑功能要求，該層結(jié)構(gòu)設(shè)計存在有一定難度，也具有一定特點(diǎn)。 
    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(jié)構(gòu)，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(jìn)行了分析。為此在設(shè)計中采取以下加強(qiáng)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(qiáng)度等級，由下層的 C35 提高為 C40 ； 2 ）增加內(nèi)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(zhuǎn)餐廳采用懸挑式結(jié)構(gòu)，樓面梁從外筒挑出長度最大 8m ，跨內(nèi)又托有一圈圓柱，支撐著上部 5 層樓面，存在樓面轉(zhuǎn)換問題，受力較大，因而設(shè)計中： 1) 在 39 層一圈圓柱底增設(shè)環(huán)梁，加強(qiáng)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(nèi)筒按鉸接處理，以便于構(gòu)造，但配置足夠數(shù)量的普通鋼筋抵抗內(nèi)筒支座處的負(fù)彎矩。 3) 樓板厚度增加為 150mm ，采取雙層雙向配筋。 
    3 、旋轉(zhuǎn)餐廳屋面采用自重輕、跨距大的板式環(huán)形網(wǎng)架，內(nèi)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(wǎng)架受力復(fù)雜化，在四個角區(qū)桿件內(nèi)力較大，具體設(shè)計時對該部位進(jìn)行了加強(qiáng)。同時對板式環(huán)形網(wǎng)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(shè)計得到了全國和省超限高層建筑抗震設(shè)防審查委員會徐培福院長、莫庸總工等省內(nèi)外專家的審查指導(dǎo)，在此表示感謝。