某框架结构屋顶加建铁塔后地震响应分析

2022-08-19裴忠庆李敬明天津大学建筑设计规划研究总院有限公司天津300000

绿色建筑 2022年4期

董羽，裴忠庆，李敬明（天津大学建筑设计规划研究总院有限公司，天津 300000）

随着通信事业的发展，建筑屋顶加建铁塔，在工程中越来越常见。由于铁塔与主体结构为两种不同的结构体系，设计时，若简单的将铁塔荷载加在主体结构上进行计算，两种结构体系间的相互作用则无法考量。

本文以具体工程为例，分析了高层建筑屋顶加建铁塔后的地震响应，得出了铁塔对于主体结构影响的量化后的数据。这将为今后此类工程建设、既有工程加固改造等，提供参考性的依据。

1 工程概况

本工程为河北省某交警业务技术用房，总建筑面积 19470 m2, 其中地下建筑面积 2320 m2，地上建筑面积 17150 m2。建筑主体为地上 6 层、地下 1 层。其中，地下室层高 5.1 m，地上部分首层层高 4.8 m（办事大厅部分 9.9 m），2 层层高 5.1 m，3～5 层层高均为 4.2 m，6 层层高 8.4 m。当地抗震设防烈度为 7 度（0.10g）。结构方案为：主体部分采用钢筋混凝土框架结构，办事大厅部分采用钢框架结构，二者之间设置抗震缝一道；框架抗震等级为二级。

该工程施工至第 5 层时，根据甲方要求，需要在楼顶加设 1 座 30.0 m 高的铁塔，铁塔自重约 15 t。因工程已施工过半，故需要对未施工部分调整结构布置，对已施工部分进行复核，并对薄弱部位进行加固。

2 屋顶结构方案

加建铁塔共分为 5 节，总高度为 30 m，采用钢结构杆系体系，其横断面为正方形，底部则由 4 个塔腿与主结构连接。整座铁塔的杆件均为角钢，结构模型如图 1 所示。

图1 铁塔结构模型

原建筑装饰层沿建筑屋顶四周设有一圈装饰坡屋面，其外檐顶部高出屋面 6.5 m，坡屋面内部为中空，位于建筑平面中部的消防水箱间高出屋面 3.6 m。为尽量减小铁塔高度，并兼顾建筑效果，只能把铁塔设于消防水箱间之上。由于消防水箱间屋顶低于外檐，故须设 2.5 m 高的支墩，作为铁塔的基座。加设铁塔前，原装饰层结构局部平面图如图 2 所示，其中消防水箱间区域为图中阴影部分。

图2 装饰层结构平面图（局部）

考虑支墩尺寸较大（1.2 m×1.2 m），且难以与原有结构柱相贯通，故采用梁上起柱转换方案，来实现铁塔与主体结构的连接。与支墩相连的转换结构构件，框架梁截面尺寸为 600 mm×800 mm，节点处采用水平加腋的形式，“抱住”支墩，以保证支墩钢筋的锚固。加设铁塔后，装饰层结构局部平面图变化如图 3 所示。

图3 支墩转换结构方案

3 结构计算

对于铁塔而言，地震作用经过主体结构的“放大”后，使得铁塔的地震响应比铁塔单独计算所得的地震响应更加剧烈；对于主体结构而言，铁塔的“鞭梢效应”将加大与之相连结构构件的地震内力，同时对主体结构可能会有一定影响。故应将铁塔与主体结构按实际模型建模协同计算。本工程铁塔由第三方进行设计，故重点讨论对主体结构（图 4）的影响。

图4 铁塔与主体结构整体模型

为充分考虑铁塔对主体结构影响，采用振型分解反应谱法进行结构设计，并采用弹性时程分析法进行复核。

4 结果分析

根据振型分解反应谱法计算结果，加铁塔前后模型的前三阶振型周期见表 1；加铁塔前后模型的基底剪力见表 2。

表1 加铁塔前后模型周期对比单位：s

表2 加铁塔前后基底剪力对比单位：kN

可见，铁塔对于整体结构的地震响应影响有限；但同时，装饰层及屋顶层的结构构件内力变化较大，尤其是水箱间区域及屋顶层相关构件，地震内力及配筋大幅增加。弹性时程分析采用 1 条人工波及 2 条天然波进行计算（表 3）。

表3 弹性时程分析选用的地震波单位：s

3 组时程曲线的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符；弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不低于振型分解反应谱法计算结果的 65%，且≤135%；3 组时程曲线计算所得地震剪力平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的 80%。各地震波均采用双向输入，主方向与次方向峰值加速度比例为 1.00∶0.85。其中，主方向的峰值加速度取为 35 cm/s2。最不利地震波的波形如图 5 所示。