某超高层建筑顶部大型桅杆的更换设计

2022-10-28闫舒茂

山西建筑 2022年21期

张波，闫舒茂

(煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西太原 030001)

1 工程概况

本建筑位于山西省太原市，地上37层(包含3层裙房)，建筑总高度140.30 m。建筑主体于1995年开始设计施工，已建成近30年。本建筑34层及以下为钢筋混凝土框架-筒体结构，35层～37层的钢框架结构逐层斜向收缩为三角形尖顶，140 m之上有57 m高用于造型的大型桅杆。桅杆生根于35层地面，该层层高4.4 m，建筑地面标高126.76 m；本工程抗震设防烈度8度；设计基本地震加速度值0.20g；设计地震分组为第二组，设计风压0.44 kN/m2。因年代久远，桅杆和下部三层钢结构锈蚀严重，局部还存在肉眼可见的变形。业主为排除安全隐患，要求对桅杆进行拆除更换，并对三层钢框架结构采取相应的加固改造措施。

2 结构整体分析

本工程首先要考虑鞭梢效应，不能只头疼医头，故需对整楼建模分析；加之超高层顶部桅杆的特殊性，本工程使用YJK与SAP2000进行数值仿真模拟分析，如图1所示。

2.1 结构顶点位移分析

本文通过对实际工程一比一还原，以及实际荷载的布置，YJK,SAP2000计算后得到不同工况下的结构位移，EX,EY为X向,Y向地震工况，WX,WY为X向,Y向风工况，结果分别如图2,图3所示。

二者结构顶点位移对比结果如表1所示。

表1 顶点位移对比

由表1可以得出在不同工况下，两种软件数值模拟得到的顶点位移结果相对误差较小，具有较高的拟合度，且位移最大为1/330，满足规范1/250要求。

2.2 单个杆件内力分析

本文对结构单只杆件在两种不同模型中的内力也进行了对比，选取4根靠近上部的杆件的内力进行分析，竖杆示意图如图4所示。

选取4根上部竖杆内力对比分析，分析结果如表2所示。

表2 竖杆上内力对比

2.3 周期对比分析

对结构在两种不同模型中的周期进行对比，YJK与SAP2000结果分别如图5，图6所示。

对上述两种软件得到的周期结果，选取前6个模态进行分析，对比两者相对误差，结果如表3所示。

表3 周期对比

2.4 小结

对比两个软件的数据可知，结构周期最大相对误差为4.1%；单个杆件在地震作用下内力值最大相对误差为4.9%，在风荷载作用下内力最大相对误差为0.5%；顶点位移在不同工况下最大相对误差为3.8%。对比不同软件分析结果发现，无论是对于地震作用起主控荷载作用的情况，还是风荷载起主控作用的情况，两种模型顶点计算结果相差不大，两个软件相互验证，可以认为整体计算能够真实地反映实际受力情况。并且可以认为桅杆结构及下部支撑具有较大的刚度与理想的稳定性。

3 结构连接

本工程顶部处于140 m左右的高空，为三角形尖顶，没有施工平台；业主要求施工过程不能中断下部的使用功能。再加上高空焊接存在场地狭窄、高空风速大等问题，导致现场施工难度很大。所以在设计之初就必须结合施工考虑各种实际困难：桅杆采用不锈钢材质，已有三层钢结构是碳素钢，两者连接存在困难；无法吊装，只能通过大楼内的电梯运送不超过2.8 m长的杆件。

3.1 不同材质的双法兰连接

本工程采用一种双材料法兰盘桅杆连接装置，既可以协调不锈钢和碳素钢的焊接强度问题，又可以有效减少焊接工作量，从制作、运输、安装整个施工过程来说更为方便、快捷、安全[1-4]。双材料法兰盘桅杆连接装置构造如图7所示。

图7(a)中1为上法兰连接盘、2为下法兰连接盘。上部法兰连接盘选择与上部结构相同的不锈钢材质，均为S22053(022Cr23Ni5Mo3N)；下部法兰连接盘选取与下部结构相同的Q235材质。上、下法兰连接盘通过高强螺栓连接在一起。

3.2 空中拼接连接

本工程考虑运输的问题，最长杆件不超过2.8 m；将杆件运输到35层，在楼内进行焊接成节后，采用滑轮组吊装至空中后采用法兰组装安装，尽可能避免高空焊接，如图8所示。

4 钢框架加固改造

该建筑顶部三层钢框架与桅杆相连，但这三层钢结构已不能满足现行规范的安全要求；且钢构件存在一定程度的锈蚀致使钢构件截面削弱承载力降低、表面防火层剥落、个别钢柱出现变形等影响该建筑正常使用的因素。故首先要对其进行鉴定加固。本工程采用增加支撑改变其传力路径，并加大已有支撑截面，管内灌注高强度混凝土等多种方式加强结构，如图9所示。