某框架結(jié)構(gòu)屋頂加建鐵塔后地震響應分析

董 羽，裴忠慶，李敬明（天津大學建筑設計規(guī)劃研究總院有限公司， 天津 300000）

隨著通信事業(yè)的發(fā)展，建筑屋頂加建鐵塔，在工程中越來越常見。由于鐵塔與主體結(jié)構(gòu)為兩種不同的結(jié)構(gòu)體系，設計時，若簡單的將鐵塔荷載加在主體結(jié)構(gòu)上進行計算，兩種結(jié)構(gòu)體系間的相互作用則無法考量。

本文以具體工程為例，分析了高層建筑屋頂加建鐵塔后的地震響應，得出了鐵塔對于主體結(jié)構(gòu)影響的量化后的數(shù)據(jù)。這將為今后此類工程建設、既有工程加固改造等，提供參考性的依據(jù)。

1 工程概況

本工程為河北省某交警業(yè)務技術(shù)用房，總建筑面積 19470 m2, 其中地下建筑面積 2320 m2，地上建筑面積 17150 m2。建筑主體為地上 6 層、地下 1 層。其中，地下室層高 5.1 m，地上部分首層層高 4.8 m（辦事大廳部分 9.9 m），2 層層高 5.1 m，3～5 層層高均為 4.2 m，6 層層高 8.4 m。當?shù)乜拐鹪O防烈度為 7 度（0.10g）。結(jié)構(gòu)方案為：主體部分采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，辦事大廳部分采用鋼框架結(jié)構(gòu)，二者之間設置抗震縫一道；框架抗震等級為二級。

該工程施工至第 5 層時，根據(jù)甲方要求，需要在樓頂加設 1 座 30.0 m 高的鐵塔，鐵塔自重約 15 t。因工程已施工過半，故需要對未施工部分調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，對已施工部分進行復核，并對薄弱部位進行加固。

2 屋頂結(jié)構(gòu)方案

加建鐵塔共分為 5 節(jié)，總高度為 30 m，采用鋼結(jié)構(gòu)桿系體系，其橫斷面為正方形，底部則由 4 個塔腿與主結(jié)構(gòu)連接。整座鐵塔的桿件均為角鋼，結(jié)構(gòu)模型如圖 1 所示。

圖1 鐵塔結(jié)構(gòu)模型

原建筑裝飾層沿建筑屋頂四周設有一圈裝飾坡屋面，其外檐頂部高出屋面 6.5 m，坡屋面內(nèi)部為中空，位于建筑平面中部的消防水箱間高出屋面 3.6 m。為盡量減小鐵塔高度，并兼顧建筑效果，只能把鐵塔設于消防水箱間之上。由于消防水箱間屋頂?shù)陀谕忾?，故須設 2.5 m 高的支墩，作為鐵塔的基座。加設鐵塔前，原裝飾層結(jié)構(gòu)局部平面圖如圖 2 所示，其中消防水箱間區(qū)域為圖中陰影部分。

圖2 裝飾層結(jié)構(gòu)平面圖（局部）

考慮支墩尺寸較大（1.2 m×1.2 m），且難以與原有結(jié)構(gòu)柱相貫通，故采用梁上起柱轉(zhuǎn)換方案，來實現(xiàn)鐵塔與主體結(jié)構(gòu)的連接。與支墩相連的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件，框架梁截面尺寸為 600 mm×800 mm，節(jié)點處采用水平加腋的形式，“抱住”支墩，以保證支墩鋼筋的錨固。加設鐵塔后，裝飾層結(jié)構(gòu)局部平面圖變化如圖 3 所示。

圖3 支墩轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案

3 結(jié)構(gòu)計算

對于鐵塔而言，地震作用經(jīng)過主體結(jié)構(gòu)的“放大”后，使得鐵塔的地震響應比鐵塔單獨計算所得的地震響應更加劇烈；對于主體結(jié)構(gòu)而言，鐵塔的“鞭梢效應”將加大與之相連結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震內(nèi)力，同時對主體結(jié)構(gòu)可能會有一定影響。故應將鐵塔與主體結(jié)構(gòu)按實際模型建模協(xié)同計算。本工程鐵塔由第三方進行設計，故重點討論對主體結(jié)構(gòu)（圖 4）的影響。

圖4 鐵塔與主體結(jié)構(gòu)整體模型

為充分考慮鐵塔對主體結(jié)構(gòu)影響，采用振型分解反應譜法進行結(jié)構(gòu)設計，并采用彈性時程分析法進行復核。

4 結(jié)果分析

根據(jù)振型分解反應譜法計算結(jié)果，加鐵塔前后模型的前三階振型周期見表 1；加鐵塔前后模型的基底剪力見表 2。

表1 加鐵塔前后模型周期對比 單位：s

表2 加鐵塔前后基底剪力對比 單位：kN

可見，鐵塔對于整體結(jié)構(gòu)的地震響應影響有限；但同時，裝飾層及屋頂層的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力變化較大，尤其是水箱間區(qū)域及屋頂層相關(guān)構(gòu)件，地震內(nèi)力及配筋大幅增加。彈性時程分析采用 1 條人工波及 2 條天然波進行計算（表 3）。

表3 彈性時程分析選用的地震波 單位：s

3 組時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符；彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不低于振型分解反應譜法計算結(jié)果的 65%，且≤135%；3 組時程曲線計算所得地震剪力平均值不小于振型分解反應譜法計算結(jié)果的 80%。各地震波均采用雙向輸入，主方向與次方向峰值加速度比例為 1.00∶0.85。其中，主方向的峰值加速度取為 35 cm/s2。最不利地震波的波形如圖 5 所示。

圖5 天然波 TDT495053

3 條地震波計算結(jié)果的包絡值與振型分解反應譜法的計算結(jié)果對比見表 4。

表4 兩種方法樓層剪力結(jié)果對比

由表 4 計算結(jié)果看出，彈性時程分析計算得到的各樓層地震剪力均小于振型分解反應譜法的樓層地震剪力。因此，可直接采用振型分解反應譜法的計算結(jié)果進行設計。

5 加強措施

計算結(jié)果表明，水箱間區(qū)域及屋頂相關(guān)構(gòu)件受力較為不利，且鐵塔與主體結(jié)構(gòu)連接處較為薄弱，除按振型分解反應譜法計算結(jié)果加強配筋外，尚應采取構(gòu)造措施保證連接節(jié)點及相關(guān)結(jié)構(gòu)的可靠性。采取的結(jié)構(gòu)措施如下。

（1）水箱間區(qū)域及屋頂相關(guān)區(qū)域的框架柱箍筋于屋頂層及裝飾層全高加密，實配受力鋼筋加粗。

（2）水箱間頂板板厚加厚至 150 mm，并雙層雙向通長配筋。

（3）柱墩頂部設置聯(lián)系梁，以加強支墩的整體性。

（4）柱墩采用多肢復核箍筋，并全高加密；所有柱筋錨至屋面框架梁底。

（5）柱墩下轉(zhuǎn)換梁箍筋全長加密。

6 結(jié)語

本文以河北省某交警業(yè)務用房為例，針對于屋頂加建鐵塔的情形，分別采用振型分解反應譜法及彈性時程分析法，探討鐵塔對主體結(jié)構(gòu)的影響，并對關(guān)鍵節(jié)點采取了加強措施，以保證鐵塔與主體結(jié)構(gòu)連接的可靠性。通過以上分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）屋頂加建鐵塔后，其對整體結(jié)構(gòu)的抗震特性影響較小，結(jié)構(gòu)周期及基底地震剪力沒有顯著變化。

（2）采用彈性時程分析方法進行驗證，加建鐵塔后，各層地震剪力均小于振型分解反應譜法的計算結(jié)果。

（3）加建鐵塔后，對于與之相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及屋頂層的影響較大，構(gòu)件內(nèi)力有不同程度的提高，需要加強。

（4）鐵塔與主體結(jié)構(gòu)的連接應在設計中著重考慮，加強構(gòu)造措施，以保證連接的可靠性。