主要介紹蘭州國芳大酒店現澆鋼筋混凝土筒中筒高層建築的結構布置、抗震計算分析、主要抗震措施及相關的結構概念設計。同時，對該工程設計中幾個主要問題的處理也進行了詳細的討論和介紹，可供類似工程設計參考。
1項目概況
蘭州國芳大酒店位於蘭州市東方紅廣場，是蘭州國際博覽中心二期工程。是壹座大型超高層公共建築，有五星級酒店和商業寫字樓、商場。總建築面積約90,000 m2，分為主樓和裙樓兩部分。其中裙樓為酒店附房，地下兩層，地上九層，總高度43.4米。主樓地下三層，為車庫和六級人防及設備用房。地上39層，由辦公室、客房、公共用房組成。1-9層層高4.8m，標準層為3.1m和3.15m，39層為帶夾層的旋轉餐廳，層高18m。屋頂有壹座三層塔樓，總高161.9m，是蘭州市中心城區最高的建築(見圖1)。本工程抗震設防烈度為8度，屬於超現行規範高度的高層建築。按照建設部59號令的要求，先後通過了國家和省級超限高層建築抗震設防審查委員會對初步設計施工圖的抗震設防專項審查。本工程主樓與附樓之間采用抗震縫。由於篇幅所限，本文僅介紹主樓的結構設計。
2地基與基礎
2.1基礎持力層選擇
該場地地層結構簡單穩定，建築場地類別為二類。各層自上而下分布如下:
1.雜填土:厚度0.9~2.5m，主要為粉土。
2.卵石層:頂面埋深約0.9~2.5m，厚度約4.7~9.7m
3.砂巖層:頂面埋深7.1~12.5m，未揭穿，表層約9m強風化。地基承載力標準值fk=500kPa，E0=45MPa，表層自西向東有壹定坡度，下部微風化，E0=85Mpa。
主樓地下三層，強分異砂巖層將成為基礎持力層。這種砂巖有壹個很大的特點就是承載力高，無擾動變形模量高，但在空氣中遇水後大大降低。在蘭州地區100m高度的建築物中，利用這種強分異砂巖層作為持力層是壹種非常普遍和成功的做法。然而，對於高度為144m、基底壓力設計值為800kPa的建築物，是否可以在天然地基上承載，成為基礎選型中最受關註的問題。通過以下措施、分析計算，並經過多次專家論證，認為天然地基方案是可行的。
1.增加基礎埋深，基底標高約為-15m。壹方面可以提高上部結構的抗傾覆能力；另壹方面可以剔除強分異砂巖層表面2~3m性能最差的風化層，避免因強分異砂巖層頂面的坡度而造成主樓地下室壹半置於砂巖層表面，另壹半已處於壹定深度。基礎應盡可能位於均勻且性能良好的分化良好的砂巖上。
2.由於基礎埋深較大，經過深度和寬度修正後的地基承載力設計值能夠滿足地基壓力的要求。地基變形驗算也表明，最終沈降量很小，約為55 mm，另外，由於基底以下2m範圍內砂巖不同風化程度引起的差異沈降較小，不存在整體傾斜問題，因此地基承載力和變形滿足要求。
3.基坑開挖後的原位載荷試驗證明，設計中采用的地基承載力標準值是可靠的。在5個試驗點的數據中，除了2個點由於試驗條件差，載荷板下砂巖承載力極低，其余3個點承載力都很高，加載到1900kPa時還能繼續加載，p~s曲線上沒有比例限制。
2.2基礎選擇
根據上部荷載和地下功能，選擇剛度較大的箱形基礎(地下三層)。內外筒之間，柱網位置設置800mm厚的墻體，基礎底板厚度為1200mm。為了增加基礎底部的面積，減少對基礎的壓力，使外圓柱柱的軸向力在基礎上更均勻地分散，在外圓柱柱3米的位置挑出箱形基礎的底板和墻體。
基礎內力分析受基礎模型、地基模型、上部結構剛度和各種參數條件的影響，往往使不同計算方法的結果有或多或少的差異。本工程將簡化的手工計算與專業軟件BOX的彈性地基梁法相結合，計算各種模型下的地基內力，綜合分析後確定設計內力。
主樓和裙房在地面用抗震縫隔開，地下連成壹個整體，並設置後澆帶解決兩者之間的不均勻沈降問題。
3上層建築
3.1結構選擇和布局
3.1.1結構選擇
本工程主體高144米，平面布局規則，靠近廣場。通過技術經濟分析，采用現澆鋼筋混凝土筒中筒結構。內筒為剪力墻(平面長和寬分別為21m和12.6m)，外筒由密柱高裙梁組成(平面長和寬分別為45m和36.6m)。此外，結合建築功能，在外管四角布置部分剪力墻，以增強結構的抗扭剛度和外管的整體抗彎能力。標準樓層結構布局見圖2。
3.1.2體型參數
為保證本工程筒中筒結構的空間力學性能和承載能力，在滿足建築功能的前提下，設計中的參數應盡量控制在合理的範圍內。其中，結構平面高寬比1.23，結構高寬比短向3.9，長向3.2，內筒高寬比長向12.5，短向7.5，內筒面積占建築面積的16%。外管柱距4.2m，外管標準層標高開孔率39%，洞口高寬比0.64，高度與柱距之比0.74，基本接近。
3.1.3主要結構構件
為滿足建築入口要求，底層外管柱為1100 x1100mm方柱，二層至頂層由1400x800mm改為1400x600扁柱。
內管外壁底部500mm厚，頂部400mm厚。內隔墻上下300mm。為了提高墻體的極限承載力和延性，對於厚度不小於400mm的剪力墻，每層設置700mm高的暗梁。
4.8m高的底層外框筒梁截面多為500x1600mm，3.1m高的標準層截面多為500x1300mm。底部內筒連梁截面多為壁厚x1600mm，標準層截面多為壁厚x 1000 mm。
南壹層入口和地下車庫入口需要形成較大的柱距空間，所以在該部分底層去掉壹根柱，在二層設置壹層高的轉換梁。調整離頂塔和中間層高較高的設備層中的梁的高度，以減少樓板剛度的突變。
混凝土強度等級從底層的C60逐漸過渡到38層的C35，旋轉餐廳以上的C40。
3.2樓層選擇
本工程內外筒軸向跨度為12m，樓板的選擇對使用功能、結構合理性和經濟性影響很大。因此，對各種方案進行了比較:
1.內外筒之間加柱以減小樓板跨度，采用普通鋼筋混凝土梁板體系。這種方案工藝簡單，重量輕，經濟指標好，設計施工方便，但建築功能較差，目前在國內的筒中筒和框筒結構中應用較少。
2.柱軸線上內外筒之間采用間距為4.2m的預應力梁。由於跨度較小，梁間樓板可采用普通鋼筋混凝土板。該方案樓板重量輕，經濟指標好，但梁高影響樓板凈空，要求較大的樓板高度。
3.內外筒之間無梁，采用“環形”預應力混凝土平板。該方案結構高度最小，凈空大。在建築總高度不變的情況下，擁有最多的層數和建築面積，板底平整美觀，利於管道通行，模板體系簡單。但樓板較重，內力復雜，樓板的經濟指標不理想。
由於業主要求在建築總高度有限的情況下盡可能多的層數，經過多種方案比較，1層和10~39層的辦公室和客房樓板采用預應力混凝土平板結構(上述第三種方案)，厚度為270mm；2 ~ 9層公房與壹期工程相連，層高比較大。采用預應力梁和普通鋼筋混凝土板結構(上述第二種方案)，梁截面為400×650mm..
3.3結構計算和分析
3.3.1結構計算
1.使用PKPM系列軟件中的SATWE和TAT進行對比分析計算。由於兩者結構規則，總體計算結果較為接近。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不同。在施工圖設計中，采用了更符合實際情況的SATWE墻元模型的計算結果。以下是考慮平扭耦合效應的主要分析結果。
1)空間振動模式的周期:t 1 = 2.41(Y方向平移系數為1.0)；T2=2.10(X平移系數1.0)；T3=1.04(扭轉系數1.0)。
2)在X方向地震作用下；最大層間位移角為1/2328；底部剪重比為2.85%。
3)Y向地震作用下:最大層間位移角為1/1760；底部剪重比為2.74%。
4)最大層間位移與平均層間位移之比在1.05以內。
2.進行了多遇地震下彈性時程分析的補充計算。選取甘肅省地震局提供的兩組實測波和壹組場地模擬波，地震加速度時程曲線最大值為70cm/s2。計算結果表明，所有時程分析結果的平均值都小於考慮耦合效應的CQC法計算結果。
3.3.2計算結果分析
1.從以上計算結果可以看出，結構的周期和位移都在合理範圍內，但結構底層的剪切重量相對較小，這主要是由結構本身的長周期動力特性和模態分解反應譜法的特點決定的，對地震作用的估計可能偏低。從經濟角度來看，通過增加構件尺寸來增加剛度和改善地震作用是不合理的。因此，本工程地震作用乘以放大系數1.25，使結構底部剪重比不小於3.2%。放大地震後的結構位移等參數滿足規範要求，放大結構的地震效應基本不小於彈性時程分析結果，說明基於模態分解反應譜法結果的結構設計是可靠的。
2.第壹扭轉振動模式的周期小於第壹和第二平移振動模式的周期的0.5倍，結構的平移-扭轉耦合效應小。此外，最大層間位移與平均層間位移之比在1.05以內，說明該結構規則、對稱，具有較高的抗扭剛度。
3.在設計中，由於外管有剛度更大的裙梁，且在轉角處布置了部分剪力墻，外管整體抗彎能力大大增強，外管作為三維構件的工作特性明顯，剪力滯小。在水平力作用下，外管柱和墻的軸力形成的整體彎矩承擔底部總傾覆力矩的65%左右，轉角墻的應力與翼緣框架中柱的應力之比小於2，內管墻和外管轉角墻平均承擔總剪力的90%左右，基本不存在各構件的筋超限的情況。
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壹般呈倒S形，最大層間位移角發生的拐點壹般在建築高度的中上部。本工程在旋轉餐廳下方符合這壹規律，但在旋轉餐廳上方又出現了壹個層間位移角較大的反彎點，說明39層外框筒的中斷大大削弱了結構剛度，形成薄弱位置。
3.4主要抗震措施
如前所述，本工程筒中筒高度為144m，已超過規範規定的最大適用高度的20%，存在多處高度超限問題。此外，由於建築的功能要求，存在豎向剛度突變導致的薄弱層問題。針對這兩個突出問題，本工程註重結構概念設計，采取了壹些綜合抗震加固措施。抗震計算結果的分析也表明這些措施是必要和有效的。
1.在滿足建築功能要求的前提下，主樓與裙樓應分開縫合。即避免了主裙房整體化帶來的結構豎向剛度突變，也避免了超高主樓對九層裙房的巨大偏心和整體化後結構的復雜。使主樓筒中筒結構的平面布置和豎向布置盡可能滿足規整性的要求。
2.結合建築四角的建築布局，設置部分墻體增加結構剛度，使其在水平力作用下承受相應比例的內力，降低內筒和外柱的最大內力。該效應已在3.3.2中進行了分析。
3.選擇可靠的持力層，增加基礎埋深，從而保證超高層建築的抗傾覆能力。
4.開展專項場地安全性評價，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，同時選取兩組實測波和壹組場地人工波進行彈性動力時程分析的補充計算。
6.增加地震作用下的底層剪重比，提高結構可靠性，使豎向和水平方向的剪重比不小於3.2%。
7.采取比設計規範更嚴格的抗震措施，進壹步提高結構的變形能力和耗能性能。
8.主要薄弱部分得到了加強:
1)，底層局部柱抽出形成大柱距空間後，采取措施嚴格控制底層墻柱軸壓比，提高墻柱配筋率，外管柱采用芯柱。同時，按照深梁模型對框支梁進行了計算分析，改進了框支梁的配筋率和配箍率，加強了構造措施，保證了其足夠的安全性。
2)加強頂層旋轉餐廳薄弱層的措施在本文4.2中詳細介紹。
9.與蘭州鐵道學院合作，正在對該工程進行彈塑性時程分析，校核罕遇地震下的位移值，進壹步確定薄弱部位，總結筒中筒結構在罕遇地震下的受力特點。
4幾個問題的討論和處理
4.1內外筒間樓板對結構剛度的影響
本工程為了盡量降低樓層的結構高度，內外筒之間采用12m的平板結構，不設梁，因此內外筒之間有梁和無梁對結構剛度的影響成為設計中需要關註的問題。為此，在確定方案時做了很多計算。結果表明，在樓板結構重量不變的前提下，設置梁和不設置梁對結構剛度的影響很小，約為2%~5%。這主要是因為在筒中筒結構中，內外筒是主要的抗側力構件，剛度比較大，所以梁對內外筒的約束作用比較小。對於框筒結構，外圍稀疏柱只能形成四個框架，剛度比較小。此時連接內管和外框的橫梁對內管和外框的約束比較大。幾個典型平面框筒的分析結果表明，設置梁和不設置梁對結構側移的影響可達20~30%。
4.2預應力樓板的計算與分析
由於內管和外管之間沒有梁，標準層形成“環”板，不是簡單的單向板，內力分析復雜。本工程采用簡化單向桿(等效框架)模型和平面有限元(板單元)模型兩種方法對樓板進行對比分析。其中，等效框架可以直接使用PREC專業預應力混凝土結構設計軟件。為了使內力計算不受次要因素影響，設計過程控制清晰，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法進行計算，然後進行組合。預應力筋呈四拋物線形，角部斜向布置，平衡荷載約為恒載的80%。
通過對樓蓋的有限元分析，對於無梁的筒中筒樓蓋，在豎向和水平荷載作用下，樓蓋和柱的連接處都會出現應力峰值。所以在設計中，除了預應力鋼筋均勻排放外，普通鋼筋都集中在柱的軸線上，形成了暗梁。這種布置方式具有以下優點:1)方便了端部預應力筋的單錨張拉，減少了張拉端空腔模對柱節點區的不利影響；2)可采用普通鋼筋有效控制應力峰值處的裂縫；3)水平地震作用下的彎矩可主要由延性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層為環形懸挑旋轉餐廳，帶夾層，層高10m(見圖3)。由於建築功能的要求，該樓層的結構設計難度較大，具有壹定的特點。
1.為了形成餐廳開闊的視野，外圍框筒在39層被完全打斷，僅在四個角伸出八根柱子支撐屋頂。對於整個結構來說，由於外圍框筒的中斷，這種樓板的承載力和剛度大大降低，樓板的變形增大，形成薄弱樓板。本文第3.3.2節對此進行了分析。因此，設計中采取了以下加強措施來提高該層的極限承載力和變形能力:1)將該層混凝土的強度等級由C35提高到C40；2)增加內筒壁分布筋和暗柱、暗梁配筋，比下層高出70%左右。3)外圍的八根柱子采用型鋼混凝土柱。
2.旋轉餐廳采用懸挑結構，樓板梁從外筒挑出最大長度8m，跨度內支撐壹圈柱子，支撐上面五層，存在樓層轉換問題，受力較大。因此在設計中:在39層壹圈柱底部加1)圈梁，加強各柱底部的埋設和整體性；2)樓板梁采用650x1400mm型鋼混凝土梁，考慮豎向地震作用。梁中的鋼筋與內筒鉸接以方便施工，但提供足夠數量的普通鋼筋以抵抗內筒支座處的負彎矩。3)樓板厚度增加到150mm，采用雙層雙向配筋。
3.旋轉餐廳的屋頂采用輕質大跨度的板式環網，內側支撐在圓柱形牛腿上，外側支撐在8根型鋼混凝土柱上。由於外部支撐少，自由邊界大，網架結構受力復雜，四角區域桿件內力較大，在具體設計中予以加強。同時，在板環網格結構的計算中考慮了豎向地震作用的影響。
這篇文章是黃銳和金建民寫的。本工程的設計得到了國家和省超限高層建築抗震設防評審委員會許會長、莫勇總工程師等省內外專家的評審和指導。謝謝妳。
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