从荷载和结构的角度评价一个建筑物

肖宇轩

（东北林业大学，黑龙江哈尔滨150080）

在今年的十一黄金周，有幸跟朋友去上海旅游，不仅领略到了国际大都市的风范，也见识了许多享誉国内外的著名建筑。这次我要分析的建筑是国内外知名的东方明珠广播电视塔。

东方明珠坐落在中国上海浦东新区陆家嘴，毗邻黄浦江，与外滩隔江相望，上海国际新闻中心所在地。东方明珠塔是由上海现代建筑设计有限公司的江欢成设计，塔高468米。

东方明珠塔有15个观光层，而外部最具特色的是把11个大小不一、高低错落的球体串联在一起。连接它们的是三根擎天立柱。让人感觉到很有气势，它屹立在黄浦江畔傲视群雄，而大大小小的圆球在视觉上又给人非常亲切的感觉。东方明珠上面小下面大有一种很稳固很安全的感觉。这符合建筑的技术审美，其次这也能很好地克服高空中风力对建筑的影响，使得受力均分。两个主球体也是上面的小下面的大这不仅符合建筑上的技术要求，在建造东方明珠时可减少花费，其次也符合大众的审美要求。而且这样在水平风力或地震的作用下就不容易遭到破坏。在结构方面，由于各种力学的要求，所有结构都必须保持均衡，东方明珠上的十一个球排列组合都以一定的规律进行，这样才使得建筑物结构化，受力合理化。同时，东方明珠上也用到了钢架的设计，使用巨型钢架与主体结构连成整体而形成的固接，共同承担竖向和水平地震的荷载。

在我分析，东方明珠在结构作用上应有两项基本功能：第一是作为广播电视塔，发射信号；第二是作为上海地标性的建筑物，使去上海旅游的人游玩欣赏。所以针对这两项结构作用，建筑物必须符合框架造型美观，建筑结构结实这两大基本条件。下面，我将通过荷载的角度进行具体的分析。

对于工程中所承受的作用可分为以下三种：1.按随时间的变异分类；2.按随空间的变异分类；3.按结构的反应特点分类。其中，随时间的变异可分为永久作用、可变作用和偶然作用。对于东方明珠的永久作用，应该包含每层的屋面、球体部分、钢架部分、塔顶及一些固定设备等。而且我们还须要考虑比一般建筑更多的因素。如结构自重、人群作用、楼面及塔尖自重、风压力、土压力、水压力、雷电作用、超高层结构稳定性。

每一个建筑物都要承受荷载的作用，东方明珠受到的荷载包括活荷载、恒荷载、风荷载等，在进行工程结构设计时，我们先须要确定工程结构上荷载的大小。

东方明珠的恒荷载：应包括两类，第一类是构件的自重，包括结构自重及相邻构件自重，若是算墙的自重就必须加上墙上作用的版、梁等自重。第二类扣除自重之后的恒荷载，包括装修面层荷载、吊顶荷载等。

东方明珠的活荷载：按其时间变异特点，可分为持久性活荷载和临时性活荷载。持久性活荷载是指楼面上在某时段内保持不变的荷载，例如东方明珠电视塔的接受与发射设备、长期工作人员、餐厅每日用餐人数、酒店入住人数等，这些荷载一般变化不大。临时性活荷载是指楼面上偶然出现的短期荷载，比如黄金周旅游人数众多的时候。根据国家规范的《建筑结构规范》（GB 50009—2001）取标准值、组合值系数、频遇值系数以及准永久性值系数。不仅如此，在计算楼面活荷载时还要考虑楼面活荷载的折减。因为在设计梁、墙、柱和基础时，还要考虑实际荷载沿楼面分布的变异情况，即在确定梁、墙、柱和基础的荷载基本代表值时，还要按楼面活荷载标准值乘以折减系数。而且对于流动性人员的荷载一定要预留出很大的数目，因为东方明珠属于旅游景区，在假期、黄金周等时候会有很大的人员流动。另外，在施工、检修或是发生紧急情况的时候，东方明珠设有专门的平台，供紧急情况使用。

雪荷载：是房屋屋面的主要荷载之一，属于结构上的可变荷载。虽然上海属于华东地区，东南沿海，基本没有什么大雪影响，但我们还是要作考虑的。下雪的时候，风会把部分将飘落到屋面上的雪吹到附近的地面上或其他较近的物体上，这种现象称为风的飘积作用，实验证明，风速越大，房屋周围建筑物越少，风的飘积作用越小。雪荷载Sh等于基本雪压S0与房屋积雪分布系数Ur乘积。江西、浙江地区的平均雪密度取0.2t／m2，上海的10年一遇雪压值S0 =0.10KN／㎡，上海的50年一遇雪压值S0=0.20KN／㎡，上海的100年一遇雪压值S0=0.25KN／㎡雪荷载准永久值系数分区Ⅲ区。然而，东方明珠属于特殊建筑物，应具体部分具体分析屋面积雪分布系数。

风荷载：在实际工程中，一般须要考虑几十年的时间范围内最大风速所产生的风压，则该时间范围内的最大风速定义为基本风速，而该时间范围内可理解为基本风速出现一次所需要的时间，即重现期。

计算基本风速的保证率是设计时必须考虑到的，设基本风速重现期为T年、则1／T为每年实际风速超过基本风速的概率，因此每年不超过基本风速的概率或保证率P为：

我国建筑设计中的基本风速重现期已由过去30年改为现在的50年。对高层结构、高耸结构及对风荷载比较敏感的结构，重现期应适当提高。根据《高层建筑混凝土结构技术规范》（JGJ3—2002）规定：对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑，其基本风压应按100年重现期的风压值采用。所以，对于东方明珠这类的建筑物，风速重现期应设为100年，所以P=0.99。

顺风向结构风效应：风压高度变化系数和地面粗糙度指数α和梯度风高度H T有关系。根据《建筑结构荷载规范》（GB5009—2001）将地面粗糙度分为A、B、C、D四类，根据分类情况及地面粗糙度指数α和梯度风高度H T如下所述。东方明珠位于上海市，虽然上海属于东南沿海城市，但东方明珠位于上海的陆家嘴商业区并且周围有许多高层建筑，所以我猜测应该地面粗糙度应属于D类——有密集建筑群且房屋较高的城市市区。因此取αD=0. 30，HTC=450m，D类的风压高度变化系数uZ=0.318（z／10）0.60。当已知电视塔所在地的地貌环境和工程结构的基本条件后，可按确定工程机构的基本风压ω0﹑风压高度变化系数uz，风荷载体形系数us和局部风压体形系数us1，风振系数βz和阵风系数βgz，即可计算垂直于建筑表面的顺风向风荷载标准值。

计算主要承重结构时，风荷载标准值ωk按如下公式计算：

计算围护结构时，风荷载标准值ωk按如下公式计算：

横风向结构风效应：大多数情况下，横风向风力较顺风向风力小得多。然而，对于高层建筑、高耸塔架、烟囱等结构物时，横向风作用引起的结构共振会产生很大的动力效应，甚至对工程设计起着控制作用。计算公式如下：

抗震：为了减轻工程结构的地震破坏，降低地震灾害造成的损失，需要进行工程抗震。减轻震害的有效措施包括对新建工程进行抗震设防和对已有工程进行抗震加固。由于地震的发生时间、地点和强度都具有不确定性，目前，为适应这个特点，采用的方法是基于概率含义的地震预测。上海抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速值为0.05g。做到：小震不坏、中震可修、大震不倒。

上海市近百年间曾发生过几次有震感的地震，对于上海的建筑物一定要做好工程抗震，尤其像是东方明珠这种建造时间较早，而又中外驰名的建筑，一定要做好抗震加固。

冻土：由于上海市为处东南沿海，在东方明珠广播电视塔的建造工程中，应该不涉及冻土问题。

小结：由于本人所学知识有限，对于东方明珠广播电视塔的分析可能比较浅显，甚至会有许多地方分析的出发点都不对。但是，通过在对东方明珠塔分析的过程中，我仔细地察看了土木工程荷载与结构设计方法这本书，并且查阅了许多资料。了解了许多中外著名建造者的建造理念、设计方法等。对今后荷载与结构工程设计方法，乃至土木工程专业的学习方法都有了帮助。