贵阳地区地质构造复杂，地貌以岩溶洼地和岩溶丘陵为主；地貌呈现背斜成山、向斜成谷且规模不等的构造山体。市中心区为一较大岩溶构造盆地，广泛分布着三迭系和二迭系碳酸盐类岩石，这类岩石出露和分布面积达60%以上，局部地段有碎屑岩分布。这种复杂地质构造给高层和超高层转自：建筑结构-公众号设计带来非常大的困难，同时也提出了更高的要求。

下文结合已经完成设计、正在建设的高度超限的贵阳市中心某棚户区改造项目（图1），介绍地基基础和塔楼的主要设计成果。

图1 贵阳某棚户区改造项目建筑效果图

1 工程概况

贵阳市中心某棚户区改造项目中双塔超高层建筑采用钢筋混凝土筒中筒结构体系，该双塔项目包括两栋建筑高度为335m的双子塔楼和与之相连的裙房两个部分(图1)，前者按照所在方位不同而划分为东塔和西塔。

两栋塔楼建筑面积均约17万m²，地上均65层，东塔地下5层，西塔地下4层。东塔主要为办公，西塔则主要为办公和酒店。两栋塔楼除核心筒和部分楼层使用功能稍有差别外，其他布置基本相同，西塔办公标准层结构平面布置如图2所示。裙房地上6层，地下5层，主要为商业用房和车库，与塔楼用防震缝分开(图3），以简化设计。本工程设计标高±0.00m相当于绝对标高1100.0m。

图2 西塔办公标准层结构平面布置图

图3 防震缝平面位置示意图

2 结构体系

双塔楼均以地下2层楼板作为嵌固端，双塔楼结构高度均为300m，平面尺寸均为49.4m×49.4m，高宽比约为6.0，采用钢筋混凝土筒中筒结构体系。为减小外框筒柱截面尺寸，在基础顶面～地上20层的框架柱中设置圆形钢管，形成钢管混凝土叠合柱。

根据建筑布置，塔楼在6，21，36，51层设置避难层。抗侧力体系的确定主要考虑如下三个方面因素：1）结构抵抗水平力作用的效率要高；2）因本工程地质条件复杂，溶洞较发育，基础在较多区域的持力层深，桩径受限，故结构宜多点均匀传力；3）结构用材经济性能要较优；4）施工简单，速度快。最终确定的结构抗侧力体系如图4所示。

图4 结构抗侧力体系

双塔楼的内钢筋混凝土核心筒从基础顶面延伸至结构屋面，自下到上筒体内壁尺寸保持不变，混凝土强度等级从下到上由C60变为C40，首层以上底部6层核心筒外墙最大厚度1300mm，核心筒内墙最大厚度400mm。双塔楼的底部核心筒体外边尺寸为24.5m×24.5m，高宽比为12.2。

双塔楼外框筒由矩形钢筋混凝土柱(底部20层为钢管混凝土叠合柱)和钢筋混凝土外框梁组成，标准层框架柱共有36根，对称布置在四周，柱距4.8m。双塔楼外框柱在底部4～7层利用斜柱形成大开间，柱距增加至9.6m。斜柱过渡区占有4个楼层，斜柱斜率约为4.9，即斜柱与竖直线的夹角约为11.5°，如图5所示。

图5 结构底部斜柱过渡区示意图

3 地基基础

3.1 工程地质条件

场地范围内岩体类型较多，成份复杂，岩体风化差异显著，基础底标高以下的地基均为岩体。场地溶洞广泛分布，在场地内的271个钻孔中遇到溶洞(隙)的钻孔为133个，遇溶率为49.1%，为岩溶强发育场地，不存在较大范围的地下空洞和地下暗河。场地及邻近地段无区域活动性断层通过，无地裂缝、滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象。

3.2 水文地质

场地地下水类型主要为基岩裂隙水，属潜水。相对于周边地形，场地位于地势较高地段，地下水埋藏较深，地下水主要为基岩裂隙水和岩溶水。西塔地下水位绝对标高约为1080.00m，东塔地下水位绝对标高约为1075.00m。

3.3 建筑选址及地下室深度优化

3.3.1建筑选址优化

分析初步勘察资料，东塔所在位置存在较多溶洞，其中东侧尤为严重；溶洞主要分布于灰白色石灰岩的表层范围内，灰白色石灰岩层埋藏较深，溶洞深度大，处理难度较大。溶洞较发育的灰白色石灰岩层走向为西高东低，若将东塔往西移动，可减小灰白色石灰岩层的相对埋深，也有利于降低溶洞的处理难度。

西塔原所在位置存在深灰色石灰岩，走向与灰白色石灰岩类似，厚度较大，基本不含溶洞。但西塔原位置处深灰色石灰岩埋藏较深，需采用桩基础方可利用深灰色石灰岩。若将西塔向西移，深灰色石灰岩出露抬高，西塔可利用深灰色石灰岩作为天然地基。综上分析，把双塔向西移动，调整前后的塔楼位置及溶洞分布情况如图6所示。

图6 调整前后塔楼位置及溶洞分布图

3.3.2地下室深度优化

在双塔楼位置调整后，西塔所在位置的深灰色石灰岩岩面标高已高于基础底标高。若仍保持基础底标高不变，深灰色石灰岩岩面升高将会带来开挖难度加大、造价增加和工期延长等问题。在不影响建筑使用功能的前提下，结构设计提出把西塔原有5层地下室减少为4层地下室，以抬高基础底面标高，而基础形式保持不变。此建议也被采纳。西塔地下室与地质剖面关系如图7所示。

图7 西塔地下室与地质剖面关系

3.4 基础方案

3.4.1东塔基础方案

东塔采用桩基础，以灰白色石灰岩层为持力层；由于东塔范围溶洞较发育，处理溶洞成为该塔楼基础设计及施工的难点。根据上述地质特点，确定的基础方案为：由于核心筒区域基础底面以下灰白色石灰岩的埋深相对较小，采用人工挖孔扩底桩，布桩38根，桩长短不一，最大桩长为30m；外框柱区域，由于灰白色石灰岩的埋深不同，可采用钻孔桩和人工挖孔桩相结合，但考虑到钻孔桩在遇到溶洞时比人工挖孔桩穿越溶洞更安全可靠，且外框柱下采用相同的桩型对结构受力更有利，且便于施工，故而全部采用钻孔桩，共布桩96根，桩长短不一，最大长度约45m。东塔基础平面布置如图8所示。为消除沉渣对钻孔桩的不良影响，对沉渣厚度不能达到要求的桩采用桩端后注浆。

图8 东塔基础平面布置图

3.4.2西塔基础方案

根据地质勘察资料，西塔区域内不同岩层呈单斜层状分布，在基础底板底面处，中风化深灰色石灰岩、钙质泥岩、中风化灰白色石灰岩等承载力差异较大的岩层相间出现。西塔区域溶洞相对不发育，埋深相对较浅，处理相对较容易。相对于东塔，西塔基础方案选型单一，为墩基础与筏板基础相结合的基础形式，其中核心筒区域为筏板基础，外框架柱下采用人工挖孔墩基础，单柱单墩。西塔基础平面布置如图9所示。

图9 西塔基础平面布置图

3.5 溶洞处理

设计时采用如下处理措施：1）每个桩位处均需进行超前钻，根据超前钻结果，结合场地地质情况确定溶洞处理方案。2）当桩位处存在溶洞，溶洞顶板厚度满足桩基稳定性要求时，桩端停于溶洞顶板以上岩层，无需穿越溶洞；溶洞顶板厚度不满足桩基稳定性要求时，需下挖穿越溶洞，利用岩溶洞底板作为持力层，验算桩端持力层厚度以满足要求。3）当桩位处没有溶洞，但周边溶洞较发育且较大时，处理方式同2）。4）当桩端持力层以下影响范围内存在溶洞时，对溶洞进行注浆处理。5）当桩周边的溶洞使单桩或基础整体形成临空面时，对溶洞进行注浆处理；当溶洞不影响单桩及基础整体稳定性时，可不处理。

专家评审组认为，本项目的基础方案充分考虑了地质、施工条件和上部结构的特点，安全合理，可实施性强。

4 主要设计指标

4.1 自振周期

本工程采用ETABS和SATWE两种软件对结构进行弹性分析，结果表明，两种软件的计算结果吻合较好，第1阶扭转周期T3与第1阶平动周期T1的比值为0.54(SATWE计算结果)，满足高规中的相关要求。

图10 楼层X向剪力分布

4.2 楼层剪力和倾覆力矩分布

塔楼楼层剪力和倾覆力矩分布分别如图10和图11所示(鉴于X向和Y向的内力分布规律基本一致，在此仅提供X向内力分布，余同)。可以看到，小震作用下塔楼楼层剪力和倾覆力矩略小于50年风荷载(由风洞试验提供)作用下的对应数值，风荷载对结构具有相对控制性。中震作用的楼层剪力仍大过50年风荷载作用下的楼层剪力，需重视其对结构设计的影响。

图11 楼层X向倾覆力矩分布

4.3 最大侧向位移和层间位移角

塔楼的侧向位移分布如图12所示，由图可见，50年风荷载作用下结构最大侧移约为280mm，大于小震作用下的侧移值，这进一步验证了风荷载是结构设计的控制荷载。同时计算结果表明，无论在风荷载还是地震作用下，结构最大层间位移角均远小于规范限值1/500。究其原因，一方面是因为外荷载较小，结构响应小；另一方面，塔楼抗侧力构件截面尺寸受到轴压比、剪重比、整体稳定性和承载力控制，不宜进一步减小。

图12 塔楼侧向位移沿楼层分布

4.4 内外框筒的剪力和倾覆力矩分布

在50年风荷载作用下，内外框筒剪力和倾覆力矩分布分别如图13，14所示。由图13可见，由于避难层层高较大，在这些位置外框筒承担的剪力突变减小，与此对应，核心筒承担剪力相应变大，出现一系列折线段。在结构的中上部，外框筒和核心筒承担的剪力数值较接近；而在中下部，核心筒会承担绝大部分剪力，起到主要抗侧作用。由图14可见，在结构的中部楼层，外框筒承担的倾覆力矩较大，在结构底部，外框筒和核心筒两者承担的倾覆力矩相当，即在地下2层两者各占到50%左右。

图13 50年风荷载下内外框筒

图14 50年风荷载下内外框筒X向

5 结语

贵阳市中心某棚户区改造项目双塔建筑高度超限，业主对经济性要求高；该项目场地地质构造非常复杂，溶洞较发育，这给结构设计提出了很大挑战。通过优化基础方案、优减上部结构重量，成功解决基础承载力问题；同时，详细分析并严格控制上部结构设计指标，使其满足既定抗震性能目标，保证了结构安全、经济、有效，得到了专家和业主的认可。

更多内容详见《转自：建筑结构-公众号》第四十四卷第二十四期中的文章《贵阳复杂地质条件下某超高层转自：建筑结构-公众号设计》，作者：侯胜利，阮伟光，李鹏，张衡，屈涛。作者单位：奥雅纳工程顾问。

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