某观光塔结构体系选型

毛 华

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

1 工程概况

本工程为一个旅游观光体验项目，由1个观光塔建筑及1个模型装置组成。其中观光塔建筑地下1层，地上14层，12层～14层整体向外悬外挑约14.3 m，主屋面高度约75 m，主要使用功能为观光展览；模型装置高度约为72 m，内部设置观光电梯。

模型装置与观光塔净距约8 m，根据建筑功能需要，模型装置从12层开始伸入观光塔的大悬挑内部。项目建筑面积约为8 000 m2。观光塔和模型装置结构在±0以下通过1层地下室连成整体。建筑立面示意图如图1所示。

本工程抗震设防烈度为7度(0.15g)，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类。抗震设防类别为丙类，设计使用年限为50年。

2 结构方案选择

2.1 观光塔与模型装置的关系

根据建筑物的总高度、抗震设防烈度及建筑的用途等情况，本工程“观光塔”单体的结构形式采用现浇钢筋混凝土框架—核心筒结构体系，12层～14层悬挑部分采用钢桁架结构，观光塔平面外轮廓为矩形，低区平面尺寸约为(20×25)m。模型装置根据建筑使用功能的需要，采用圆钢管格构柱结构，平面外轮廓为圆形，直径约为3.85 m。

由此可见，观光塔与模型装置无论从体量上还是从结构体系上都相差很大，其结构刚度和质量截然不同，因此两单体之间的关系处理是本工程结构体系选型的关键点。针对观光塔和模型装置之间的关系处理，提出了两个方案。

2.2 方案一

观光塔和模型装置之间通过设置抗震缝，使两单体的地上结构完全脱开[1]。抗震缝宽度约需550 mm。

从概念上来看，方案一两个单体在地面以上彻底分开，其抗震分析模型相对简单，容易估计其地震作用和采取抗震措施。但模型装置的结构高度较大、横断面相对较小，高宽比约为18，侧向刚度较弱，在水平荷载下的变形控制是其设计难点。同时在地震作用时，由于结构开裂、局部损坏和进入弹塑性变形，抗震缝两侧的结构易发生碰撞，进而造成结构损坏[2]。

为了进一步了解方案的优劣，以找到合适的结构方案，本工程在前期利用ETABS软件对方案一进行了初步计算分析。方案一模型装置的结构布置及计算结果如下。

模型装置在平面上，沿圆形外轮廓周边设置6根圆钢管柱作为竖向构件，钢管直径为600 mm，壁厚为30 mm；高度方向每隔2.6 m设置水平构件，同时在立面上设置斜撑，以提高抗侧刚度。方案一结构示意图见图2。

模型装置结构的周期及位移的主要计算结果见表1～表3，结构前三振型示意图见图3。

表1 结构自振周期 s

表2 风荷载作用下位移计算结果

表3 多遇地震作用下位移计算结果

由上述计算结果可知，风荷载及多遇地震作用下的结构位移角均远小于限值，结构侧向刚度主要由风荷载作用下的侧向舒适度控制。

2.3 方案二

观光塔和模型装置结构之间采用弱连接，观光塔为模型装置提供侧向支撑。

具体做法为两者之间在12层以下隔层设置水平钢梁(连廊)进行拉结，钢梁两端均采用铰接；12层～14层，两者之间设置粘滞阻尼器进行连接，通过构造处理实现竖向“脱开”，仅传递水平力，以避免大悬挑结构对模型装置在竖向上的不利影响。模型装置与观光塔结构三维示意图见图4，粘滞阻尼器连接示意图见图5。

方案二中，两单体之间采用弱连接[3]，仅传递水平力，不传递竖向力，这样既可解决模型装置的侧向稳定问题，又能够部分释放观光塔对模型装置的不利影响。但此方案分析模型相对复杂，地震作用下可能会出现较大的扭转反应，连接部位也可能会出现应力集中现象。

方案二模型装置的结构布置及利用ETABS软件的计算结果如下。因采用弱连接，观光塔给模型装置提供了侧向支撑，对模型装置的结构进行了优化，平面上仍在周边设置6根圆钢管柱，钢管直径改为520 mm，壁厚为16 mm；高度方向每隔2.6 m设置水平构件，取消立面上的斜撑。方案二三维示意图见图4。

模型装置结构的周期及位移的主要计算结果见表4,表5。

表4 风荷载作用下位移计算结果

表5 多遇地震作用下位移计算结果

由上述计算结果可知，因为有观光塔提供侧向支撑，风荷载及多遇地震作用下，模型装置结构位移角均远小于限值，风荷载作用下的侧向舒适度也明显提升。

2.4 方案对比

由2.2及2.3节可知，方案一为满足侧向刚度的需求，柱截面尺寸要大于方案二，水平梁间距需加密，同时设置了斜撑形成“筒体”，共同抵抗水平荷载。

表6 模型装置的钢材用量对比 t

两个方案中模型装置的结构用钢量估算见表6，可知方案二比方案一节约钢材约150 t。

与方案一相比，方案二不但节省了材料，同时结构在水平荷载下的性能也大大提高。

由于取消了斜撑，方案二中模型装置内观光电梯的视野更加开阔，因此从建筑使用功能角度上看，方案二也有较大优势。

另外，方案一需在模型装置和观光塔之间设置较宽的抗震缝，建筑上处理难度也很大。

经综合考虑，最终选择方案二，即模型装置和观光塔之间采用弱连接的方案进行后续的结构设计。观光塔为模型装置提供侧向支撑，通过构造处理实现仅传递水平力，不传递竖向力，以避免大悬挑结构对模型装置在竖向上的不利影响。

3 结语

本工程由观光塔结构与模型装置结构两个单体组成，二者在使用功能上是有联系的，但因其结构刚度和质量相差较大，故二者之间的关系处理是设计的关键点。

如将两个单体的地上结构通过抗震缝彻底分开，虽容易估计其地震作用和采取抗震措施，但模型装置自身侧向刚度较弱，需要耗费更多的材料，且支撑的设置会对建筑外立面造成不利影响。另外在地震作用下，抗震缝两侧的结构可能会发生碰撞损坏的风险。

经综合比较，考虑观光塔和模型装置之间采用弱连接，观光塔为模型装置提供侧向支撑，通过构造处理实现仅传递水平力，不传递竖向力，以避免大悬挑结构对模型装置在竖向上的不利影响。既节省了材料、又提高了结构安全度，同时也有利于建筑使用。