蘭州國芳大酒店筒中筒超限高層結(jié)

構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要本文重點(diǎn)介紹了蘭州國芳大

酒店現(xiàn)澆鋼筋碎筒中筒超限高層的結(jié)構(gòu)布

置，抗震計(jì)算分析，主要抗震措施及有關(guān)的

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)本工程設(shè)計(jì)中幾個(gè)主

要問題的處理，也進(jìn)行了較詳細(xì)的討論和介

紹，可供同類工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。

關(guān)鍵詞高層筒中筒抗震預(yù)應(yīng)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(jí)酒店兼商務(wù)寫字樓及商場的大型超高

層公共建筑。總建筑面積約9萬m2,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，總高米。

主樓地下三層，為車庫和六級(jí)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，19層層高為米，標(biāo)準(zhǔn)層層

高為米和米，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，建筑總高為米，是

蘭州市中心繁華區(qū)內(nèi)最高的一座建筑。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(hào)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(huì)對(duì)初設(shè)和施

工圖的抗震設(shè)防專項(xiàng)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(jì)。

2地基與基礎(chǔ)

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n類。各地層分布自上而下依次為：

1、雜填土：厚度~,以粉土為主。

2、卵石層：頂面埋深約~，厚度~。

3、砂巖層：頂面埋深~,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,E0=45MPa,層面由西向

東有一定坡度，下部為微風(fēng)化，E0=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(gè)很大的特點(diǎn)就是

在不受擾動(dòng)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(jì)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(gè)問題。通過以下的一些措

施和分析計(jì)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?3nl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(jì)值能夠滿足基底壓力的

要求。而對(duì)地基變形驗(yàn)算也表明，最終沉降

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(jì)算，綜合分析后確定設(shè)

計(jì)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)后澆帶解決一者不

均勻沉降問題。

3上部結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)選型及布置

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，外筒由

密柱高裙梁組成。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2o

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(jì)中對(duì)各項(xiàng)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，結(jié)構(gòu)高寬比短向

為、長向?yàn)椋瑑?nèi)筒高寬比長向?yàn)?、?/p>

向?yàn)?，?nèi)筒面積占樓層面積的16%o外

筒柱距，外筒標(biāo)準(zhǔn)層立面開洞率為39%,

洞口高寬比和層高與柱距之比基本接

近。

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)?/p>

40Omni。內(nèi)隔墻上下均300mm。為提IWJ墻

體的極限承載力和延性，對(duì)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樓層截面大多

為500x1600mm,層高標(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(jí)從底部的C60逐漸過

度到38層的C35,旋轉(zhuǎn)餐廳以上為C40o

樓蓋選型

該工程內(nèi)外筒軸線跨度12m,樓蓋的

選型對(duì)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(jì)、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(duì)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)，板厚270mm；

在2?9層公共用房部分因?yàn)橐鸵黄诠こ?/p>

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)，梁截面為400x650mm。

結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

結(jié)構(gòu)計(jì)算

1、采用PKPM系列軟件中的SATWE

和TAT進(jìn)行了對(duì)比分析計(jì)算，由于結(jié)構(gòu)較

規(guī)則，兩者的總體計(jì)算結(jié)果接近。但SATWE

和TAT的剪力墻計(jì)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(jì)中，采

用了更符合實(shí)際情況的SATWE墻元模型的

計(jì)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Tl=（Y方向平動(dòng)

系數(shù)）；T2=；T3=o

2）X方向地震作用時(shí)：最大層間位移

角1/2328；底層剪重比%o

3)Y方向地震作用時(shí)：最大層間位移

角1/1760；底層剪重比%o

4)樓層最大層間位移與樓層平均層間

位移的比值均在之內(nèi)。

2、進(jìn)行了多遇地震作用下的彈性時(shí)程

分析補(bǔ)充計(jì)算，選用甘肅省地震局提供的二

組實(shí)測波和一組場地模擬波，地震加速度時(shí)

程曲線的最大值為70cm/s2。計(jì)算結(jié)果顯

示時(shí)程分析所得的各項(xiàng)結(jié)果的平均值，均小

于考慮耦連影響的CQC法的計(jì)算結(jié)果。

計(jì)算結(jié)果分析

1、由以上計(jì)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(dòng)力特

性和振型分解反應(yīng)譜法的特點(diǎn)所決定，對(duì)地

震作用的估計(jì)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(duì)

地震作用乘以放大系數(shù)，使結(jié)構(gòu)底層剪重

比不小于%o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(shí)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(jì)是可靠的。

2、第一扭轉(zhuǎn)振型的周期小于第一、二

平動(dòng)振型周期的倍，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

移的比值均在之內(nèi)，這均說明結(jié)構(gòu)平面布

置規(guī)則、對(duì)稱、抗扭剛度大。

3、設(shè)計(jì)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(gè)

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(duì)結(jié)構(gòu)剛度削弱較大，形成

一個(gè)薄弱部位。

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(duì)于這兩個(gè)較突出問題,

本工程設(shè)計(jì)中注重結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，采取了一

些綜合性抗震加強(qiáng)措施，抗震計(jì)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(duì)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(píng)價(jià)，確保

場地地震動(dòng)參數(shù)的可靠性。

5、在彈性階段的抗震驗(yàn)算中，采用兩

種不同的計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)選用

了兩組實(shí)測波和一組場地人工波進(jìn)行彈性

動(dòng)力時(shí)程分析的補(bǔ)充計(jì)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%。

7、采用比規(guī)范更嚴(yán)格的抗震措施進(jìn)行

設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的變形能力和耗能性

能。

8、對(duì)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(shí)對(duì)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(jì)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(shí)程分析，以驗(yàn)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(gè)問題的討論和處理

內(nèi)外筒間樓蓋對(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響便

成為設(shè)計(jì)中關(guān)心的一個(gè)問題。為此在確定方

案時(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)剛

度的影響很小，約2%?5%,這主要是因?yàn)?/p>

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(duì)內(nèi)筒和外筒的約束作用相對(duì)

就顯得很小。而對(duì)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(shí)

連接內(nèi)筒和外框架的梁對(duì)內(nèi)筒和外框架的

約束作用顯的相對(duì)要大，通過對(duì)幾個(gè)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(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響能達(dá)到20?30%。

預(yù)應(yīng)力樓蓋的計(jì)算分析

標(biāo)準(zhǔn)層樓板由于內(nèi)外筒間無梁，形成一

了個(gè)“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

向桿模型和平面有限元模型兩種方法對(duì)樓

蓋進(jìn)行對(duì)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(jì)軟件。為

使內(nèi)力計(jì)算不受次要因素的干擾，對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)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%o

通過樓板有限元分析，對(duì)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(huì)出現(xiàn)應(yīng)力峰

值，因此在設(shè)計(jì)中除預(yù)應(yīng)力鋼筋均勻排放外,

對(duì)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(gè)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(duì)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)。

頂部旋轉(zhuǎn)餐廳的設(shè)計(jì)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。由于建筑功能要求,

該層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)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。本文中已進(jìn)

行了分析。為此在設(shè)計(jì)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(jí)，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%o3）

外圍8根柱采用型鋼混凝土柱。

2、旋轉(zhuǎn)餐