蘭州國芳大酒店筒中筒超限高層結構設計
發布時間：2012-07-25 共1頁
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。總建筑面積約 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，屬高度超出現行規范規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，頂部變為 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。來
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。同時對板式環形網架的計算考慮了豎向地震作用的影響。
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，頂部變為 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。來
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。同時對板式環形網架的計算考慮了豎向地震作用的影響。
