一種強(qiáng)化抗風(fēng)及抗震式高層標(biāo)志塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究

王偉江，余楚江，劉 薇

（1、廣州市設(shè)計(jì)院 廣州 510620；2、廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 510430）

0 引言

隨著旅游業(yè)的快速發(fā)展，各地不斷涌現(xiàn)各種主體游樂(lè)園。游樂(lè)園為了突出自身特點(diǎn)，均會(huì)設(shè)計(jì)地標(biāo)式的標(biāo)志物，該類標(biāo)志物形狀奇特，而且有追求高、大的趨勢(shì)。隨著標(biāo)志物的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)60 m 以上的標(biāo)志塔，并且兼顧表演功能，該類標(biāo)志塔已經(jīng)達(dá)到超高層建筑結(jié)構(gòu)高度，對(duì)風(fēng)和地震敏感，若發(fā)生安全事故會(huì)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)輿論產(chǎn)生較大影響。

現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)的公園標(biāo)志物多采用鋼網(wǎng)編織外噴混凝土、玻璃鋼一體成型或拼裝成型，稍大型標(biāo)志物采用輕鋼骨架內(nèi)支撐。由于此類輕鋼骨架內(nèi)支撐的抗風(fēng)、抗震能力較弱，因此無(wú)法滿足超大型標(biāo)志物受力需要，存在結(jié)構(gòu)剛度低、耐地震能力差等安全隱患。

本文就某海洋王國(guó)內(nèi)標(biāo)志塔的一個(gè)實(shí)際工程案例，介紹一種強(qiáng)化抗風(fēng)及抗震式構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)體系，為類似工程提供合理的建造措施。

1 工程實(shí)例

本工程為珠海橫琴某海洋王國(guó)ICON 標(biāo)志塔結(jié)構(gòu)，作為全園區(qū)的制高點(diǎn)，該標(biāo)志塔外形為一條躍出水面的巨型鯨鯊，鯨鯊雕像高度約65 m，標(biāo)志塔的特殊造型需要與外立面造型包裝專業(yè)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的配合。

由于鯨鯊構(gòu)造物造型復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的最初方案是主體骨架采用鋼結(jié)構(gòu)，但綜合考慮由于靠海邊，第一點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)怕腐蝕，需經(jīng)常維護(hù)；第二點(diǎn)是海邊經(jīng)常有臺(tái)風(fēng)，風(fēng)荷載大，故改為采用混凝土框架結(jié)構(gòu)［1-2］。

經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算分析，采取層層轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系，混凝土結(jié)構(gòu)盡量做至外表皮邊線，減少二次結(jié)構(gòu)范圍，減少預(yù)埋件。另外標(biāo)志塔表皮采用不銹鋼壓制而成，與二次鋼結(jié)構(gòu)連接，最終實(shí)現(xiàn)圖1效果。

圖1 標(biāo)志塔外觀效果Fig.1 The Appearance Effect of Symbol Tower

2 結(jié)構(gòu)布置方案［3］

由于所述高層標(biāo)志塔結(jié)構(gòu)整體呈立式鯨鯊狀（見(jiàn)圖2），從標(biāo)志塔底面到10 m 處為樓層結(jié)構(gòu)，可設(shè)大型展館，采用框架結(jié)構(gòu)體系。10 m 以上為鯨鯊標(biāo)志塔塔體部分，從10 m 處開(kāi)始，每隔4 m 設(shè)置一個(gè)切片層，共設(shè)的14 個(gè)切片層、形成切片層結(jié)構(gòu)，各個(gè)切片層相隔為4 m，每個(gè)切片層的構(gòu)造、形狀均對(duì)應(yīng)建筑設(shè)計(jì)圖在對(duì)應(yīng)高度的水平截面形狀，所述的切片層結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土施工固定，各個(gè)切片層和各種梁柱構(gòu)成了基本框架結(jié)構(gòu)的梁柱結(jié)構(gòu)，基本框架結(jié)構(gòu)的固定與支承部分還包括了剪力墻結(jié)構(gòu)、斜撐和局部轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，在施工過(guò)程中切片層結(jié)構(gòu)配合剪力墻結(jié)構(gòu)、斜撐與局部轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜的空間造型簡(jiǎn)化為樓層結(jié)構(gòu)，基本框架結(jié)構(gòu)的施工逐層進(jìn)行，下層的切片層實(shí)現(xiàn)施工后為上層的切片層提供受力支點(diǎn)和施工平臺(tái)。

2.1 主體部分具體設(shè)計(jì)

參照?qǐng)D2，本標(biāo)志塔的基本框架包括梁柱結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、斜撐及局部轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和切片層結(jié)構(gòu)。外部造型結(jié)構(gòu)由幕墻輕鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

圖2 標(biāo)志塔基本框架結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The Basic Architecture of Symbol Tower

位于第10 m、第14 m 和第18 m 位置的切片層為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，如圖3所示：各長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)的4 個(gè)角和4條邊的中間位置設(shè)有柱連接端，各長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)設(shè)有2個(gè)等邊式“L”形剪力墻邊，各長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)4 條邊中間位置的柱連接端通過(guò)鋼筋連接、形成加強(qiáng)型連接結(jié)構(gòu)；在第10 m、第14 m 位置的長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)中非剪力墻邊位置的框體內(nèi)各設(shè)有鋼加強(qiáng)框，在第18 m 位置的長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)中剪力墻邊位置的框體內(nèi)各設(shè)有鋼加強(qiáng)框；2個(gè)等邊式“L”形剪力墻邊構(gòu)成向上延伸剪力墻基礎(chǔ)。

位于第22 m 高位置的切片層，如圖4所示：包括一梯形框和一三角形框，梯形框和三角形框具有相同的底邊，梯形框中分為長(zhǎng)方形框體和梯形框體，在長(zhǎng)方形框體和梯形框體，在長(zhǎng)方形框體和梯形框體的角位各設(shè)有柱連接端，在三角形框的頂角和底角各設(shè)有柱連接端。長(zhǎng)方形框體內(nèi)設(shè)有鋼加強(qiáng)框，長(zhǎng)方形框體構(gòu)成向上延伸剪力墻基礎(chǔ)。

圖3 10m、14m、18m 位置切片層結(jié)構(gòu)3Fig.3 The Slice Structure 3 at the Location of 10m，14m，18m

圖4 22m 位置切片層結(jié)構(gòu)4Fig.4 The Slice Structure 4 at the Location of 22m

3 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)勢(shì)

⑴本標(biāo)志塔結(jié)構(gòu)的基本框架包括梁柱結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、斜撐及局部轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和切片層結(jié)構(gòu)。切片層結(jié)構(gòu)由若干個(gè)切片層構(gòu)成，切片層等間距設(shè)置并通過(guò)梁柱結(jié)構(gòu)定型，各切片層的構(gòu)造不同、形狀各異，在二切片層之間各設(shè)置剪力墻、形成剪力墻結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造不同、形狀各異的切片層之間設(shè)置斜撐及局部轉(zhuǎn)換梁，構(gòu)成斜撐及局部轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。通過(guò)梁柱結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)對(duì)切片層結(jié)構(gòu)的定型及加強(qiáng)連接，以及通過(guò)斜撐及局部轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)對(duì)構(gòu)造不同、形狀各異的切片層的加強(qiáng)連接，構(gòu)成強(qiáng)化抗風(fēng)及抗震結(jié)構(gòu)。因此能夠解決現(xiàn)有的高層標(biāo)志塔結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)剛度低、耐地震能力差等問(wèn)題，具有結(jié)構(gòu)剛度大、抗風(fēng)及抗震能力強(qiáng)等空出的有益效果［4，5］。

⑵本結(jié)構(gòu)采用等距截面的方式，將高層復(fù)雜結(jié)構(gòu)的標(biāo)志塔轉(zhuǎn)換為平樓層結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)成熟的混凝土施工工藝實(shí)現(xiàn)施工，降低了對(duì)施工團(tuán)隊(duì)的技術(shù)要求，并且大大降低了施工工期和工程造價(jià)，在結(jié)構(gòu)定位方面，也降低了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定位難度，采用等距截面的方式對(duì)標(biāo)志塔作大致規(guī)劃，并通過(guò)常規(guī)框架和剪力墻結(jié)構(gòu)將標(biāo)志塔簡(jiǎn)化，類似樓層結(jié)構(gòu)的施工方式大大降低了施工難度和工程成本。

⑶在外部造型上，選用了幕墻輕鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行施工，對(duì)于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部分采用輕鋼結(jié)構(gòu)骨架施工技術(shù)，輕鋼結(jié)構(gòu)骨架支撐在各個(gè)切片層混凝土結(jié)構(gòu)上，有效減低鋼結(jié)構(gòu)支承跨度，由于等距截面結(jié)構(gòu)的存在，整個(gè)外部造型施工更方便，也便于對(duì)局部的整改或優(yōu)化，提高了標(biāo)志塔的外觀美感，更吸引游客眼球，具有較強(qiáng)的可觀賞性。［6，7］

⑷與傳統(tǒng)鋼網(wǎng)編織外噴混凝土、玻璃鋼一體成型和拼裝成型的結(jié)構(gòu)對(duì)比，本結(jié)構(gòu)的受力上限大有提升，在滿足超大型標(biāo)志物的受力需求的前提下，具有更強(qiáng)的穩(wěn)固性，耐地震，耐颶風(fēng)，達(dá)到了更高的標(biāo)志物安全性能指標(biāo)。

4 計(jì)算結(jié)果分析［8-10］

本工程采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編寫(xiě)的《高層筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計(jì)軟件 （SATWE）》［11］用CQC 法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析。

4.1 指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型Fig.5 The Calculation Model of the Structure

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到圖6為結(jié)構(gòu)前三階振型圖。

⑴根據(jù)表1可以看出前三階周期分別為1.33 s（Y 向平動(dòng)），0.97 s（X 向平動(dòng)）和 0.53 s（扭轉(zhuǎn)），周期較短，證明結(jié)構(gòu)整體剛度比較大，而且周期比為0.4，滿足文獻(xiàn)［3］第3.4.5 條小于0.9 的要求。

圖6 振型圖Fig.6 Mode Diagram

表1 周期計(jì)算結(jié)果Tab.1 Structural Vibration Periods

⑵最大位移與平均位移，最大層間位移角與平均層間位移角的比值是單向地震，考慮偶然偏心下的結(jié)果。其最大層間位移角小于1/650，滿足文獻(xiàn)［12］第3.7.3 條要求（見(jiàn)表2）。

表2 位移計(jì)算結(jié)果Tab.2 Structural Displacement

⑶所有樓層剪重比均大于1.6，滿足文獻(xiàn)［1］第5.2.5 條要求（見(jiàn)表3）。

⑷計(jì)算振型數(shù)取12 個(gè)，X、Y 向質(zhì)量參與系數(shù)分別為96.63%，99.50%，均大于90%，滿足規(guī)范要求。

表3 結(jié)構(gòu)總重量和總地震作用力Tab.3 The Total Weight of Structure and Seismic Force

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本標(biāo)志塔結(jié)構(gòu)體系不僅有效地解決外部造型配合復(fù)雜，施工難度高，工程造價(jià)高等一系列問(wèn)題。而且按空間整體工作進(jìn)行彈性分析，同時(shí)根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果和概念設(shè)計(jì)方法，對(duì)關(guān)鍵和重要構(gòu)件作了適當(dāng)加強(qiáng)，以保證在地震作用下的延性。該計(jì)算結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均良好，滿足多遇地震下彈性要求，達(dá)到“小震不壞”的第一水準(zhǔn)抗震性能目標(biāo)，同時(shí)滿足國(guó)家規(guī)范要求，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行且安全的。