某長(zhǎng)頸鹿城堡鹿頭之間組合分析與設(shè)計(jì)

陸日超

（廣州市設(shè)計(jì)院 廣州510620）

1 工程概況

某長(zhǎng)頸鹿城堡依山而建，北低南高，高差約為15 m，如圖1 所示，工程總建筑面積11 833 m2。其中包括計(jì)容建筑面積7 649.41 m2，建筑占地面積2 739.58 m2。地上部分主要為商業(yè)餐飲，地下室主要是設(shè)備用房［1］。

圖1 建筑效果Fig.1 Architectural Rendering

2 結(jié)構(gòu)體型

城堡平面形狀近似為矩形，屋頂設(shè)有13個(gè)長(zhǎng)頸鹿構(gòu)筑物，長(zhǎng)頸鹿凸出屋面的高度約14～42 m，外包鋼結(jié)構(gòu)端部截面1.2～4.6 m；最大的長(zhǎng)頸鹿離地高度為82 m，離屋頂約37 m，長(zhǎng)頸鹿作為凸出構(gòu)筑物作用于主結(jié)構(gòu)上，鹿頭為高聳結(jié)構(gòu)［2-3］，鹿頭平面布置如圖2所示，尺寸如表1所示。

圖2 鹿頭平面布置Fig.2 Deer Head Floor Plan

3 不同鹿頭間組合分析

由于無類似工程案例可供借鑒，為了探究不同鹿頭之間組合對(duì)主體整體指標(biāo)影響的大小，通過選取不同的鹿頭組合，分別計(jì)算其周期、地震基底剪力、地震傾覆彎矩、地震層間位移角及扭轉(zhuǎn)位移比等整體指標(biāo)，分析各項(xiàng)指標(biāo)的特征與差異［4-8］，從而判斷不同鹿頭的組合對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的影響程度。根據(jù)鹿頭平面分布位置集中與分散性，選取6 組組合進(jìn)行比較分析：組合1A（13 個(gè)鹿頭）、組合1B（無鹿頭）、組合1（鹿頭7+鹿頭8+鹿頭9+鹿頭10+鹿頭11）、組合2（鹿頭3+鹿頭4+鹿頭8+鹿頭9）、組合3（鹿頭3+鹿頭6+鹿頭7+鹿頭11）、組合4（鹿頭1+鹿頭2+鹿頭3+鹿頭4）。

表1 鹿頭尺寸Tab.1 Deer Head Size （m）

由表2 可知，6 種組合模型計(jì)算質(zhì)量相近，各組合模型前三周期偏差較小，說明6 種組合振型特征差別較小，其中組合1A 與組合4 均包含最高鹿頭1，相應(yīng)周期較其他組合較大，說明鹿頭1 對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征有一定的影響；此外，各組模型地震基底剪力、地震傾覆彎矩、地震層間位移角及扭轉(zhuǎn)位移比等主要指標(biāo)均較為接近，表明鹿頭之間的組合對(duì)主體結(jié)構(gòu)的受力特性影響不明顯；組合1A、組合1B的計(jì)算內(nèi)力偏大，可取2 個(gè)模型的包絡(luò)設(shè)計(jì)。

4 驗(yàn)算整體模型（組合1A）可行性

以1 號(hào)鹿身為例，1 號(hào)鹿身幾何尺寸如表1 所示，分別建立3個(gè)模型（見圖3）。模型1依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012》［9］計(jì)算風(fēng)荷載，采用底部剪力法計(jì)算地震作用；模型2、模型3利用YJK根據(jù)文獻(xiàn)9］分別計(jì)算風(fēng)荷載，采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算其地震作用；對(duì)比3個(gè)模型中的1號(hào)鹿身基底內(nèi)力，以驗(yàn)證整體模型可行性。

4.1 風(fēng)荷載內(nèi)力分析

根據(jù)文獻(xiàn)［9］，考慮到鹿頭之間互相干擾，干擾系數(shù)取1.3，所以體型系數(shù)μs=1.4×1.3=1.82；地面粗糙度為B 類，W0=0.3 kN/m2。考慮到鹿頭外包裝影響，按實(shí)際迎風(fēng)面積計(jì)算風(fēng)荷載。

基底（H=36.70 m）：風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz1=1.48，風(fēng)振系數(shù)βz=1.03，Wk1=1.03×1.82×1.48×0.3×5.9=4.91 kN/m。

平臺(tái)（H=66.47 m）：風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz2=1.76，風(fēng)振系數(shù)βz=1.92，Wk2=1.92×1.82×1.76×0.3×4.4=8.12 kN/m。

鹿頭（H=82.00 m）：風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz3=1.88，風(fēng)振系數(shù)βz=2.56，Wk3=2.56×1.82×1.88×0.3×2.5=6.57kN/m。

風(fēng)載在1號(hào)鹿身基底產(chǎn)生的剪力及傾覆彎矩：Vk=（6.57+8.12）×15.53/2+（8.12+4.91）×29.77/2=306.7 kN；Mk=（2×6.57+8.12）×15.532/6+（6.57+8.12）×15.53×29.77/2+（2×8.12+4.91）×29.772/6=7 277.56 kN·m，對(duì)于高聳結(jié)構(gòu)，構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)時(shí)，考慮風(fēng)荷載放大系數(shù)為1.1倍。

圖3 1號(hào)鹿身對(duì)比模型Fig.3 No.1 Deer Body Comparison Model

表2 6種組合各指標(biāo)對(duì)比Tab.2 Comparison of Indexes of Six Combinations

4.2 地震作用分析

由《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010（2016 年版）》［10］，采用底部剪力法計(jì)算1 號(hào)鹿身在地震作用下基底剪力及傾覆彎矩，T1=1.31 s，a1=0.012，1號(hào)鹿身劃分為9個(gè)質(zhì)點(diǎn)，考慮鞭梢效應(yīng)放大3倍，基底剪力VEK=FEK=3×0.012×0.85×812×1 000×9.8=243.5 kN，δn=0.175，傾覆彎矩MEK=6 011.8 kN·m。

4.3 3個(gè)模型基底內(nèi)力對(duì)比分析

3 個(gè)模型的1 號(hào)鹿身基底剪力及傾覆彎矩計(jì)算結(jié)果如表3所示，計(jì)算結(jié)果表明，在風(fēng)荷載作用下，模型2、模型3的基底剪力與傾覆彎矩基本能包絡(luò)模型1的結(jié)果；模型3 與模型2 的計(jì)算結(jié)果基本相近；模型1 采用底部剪力法計(jì)算地震作用，其本身地震效應(yīng)放大3倍，增大部分可不傳遞給主體結(jié)構(gòu)，而傳遞部分僅為V=81.2 kN、M=2 003.9 kN·m，小于模型2、模型3 采用振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算數(shù)值，因此采用模型3 用于施工圖設(shè)計(jì)，但鹿身需采用底部剪力法并考慮鞭梢相應(yīng)復(fù)核其本身及與主體結(jié)構(gòu)的連接承載力。

表3 風(fēng)荷載、地震作用下基底剪力及傾覆彎矩對(duì)比Tab.3 Comparison of Base Shear and Overturning Moment under Wind Load and Earthquake

5 結(jié)語

基于某長(zhǎng)頸鹿城堡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，本文研究分析了6 組鹿頭組合下，結(jié)構(gòu)的整體受力與變形指標(biāo)差異，以及在風(fēng)和地震作用下進(jìn)一步驗(yàn)證了整體模型的可行性；表明鹿頭之間的組合對(duì)主體結(jié)構(gòu)的受力特性影響不明顯，組合1A、組合1B 的計(jì)算內(nèi)力偏大，可取2個(gè)模型的包絡(luò)設(shè)計(jì)。本文的研究成果與思路可為其他工程提供參考借鑒。