某长颈鹿城堡鹿头之间组合分析与设计

陆日超

（广州市设计院 广州510620）

1 工程概况

某长颈鹿城堡依山而建，北低南高，高差约为15 m，如图1 所示，工程总建筑面积11 833 m2。其中包括计容建筑面积7 649.41 m2，建筑占地面积2 739.58 m2。地上部分主要为商业餐饮，地下室主要是设备用房［1］。

图1 建筑效果Fig.1 Architectural Rendering

2 结构体型

城堡平面形状近似为矩形，屋顶设有13个长颈鹿构筑物，长颈鹿凸出屋面的高度约14～42 m，外包钢结构端部截面1.2～4.6 m；最大的长颈鹿离地高度为82 m，离屋顶约37 m，长颈鹿作为凸出构筑物作用于主结构上，鹿头为高耸结构［2-3］，鹿头平面布置如图2所示，尺寸如表1所示。

图2 鹿头平面布置Fig.2 Deer Head Floor Plan

3 不同鹿头间组合分析

由于无类似工程案例可供借鉴，为了探究不同鹿头之间组合对主体整体指标影响的大小，通过选取不同的鹿头组合，分别计算其周期、地震基底剪力、地震倾覆弯矩、地震层间位移角及扭转位移比等整体指标，分析各项指标的特征与差异［4-8］，从而判断不同鹿头的组合对结构内力与变形的影响程度。根据鹿头平面分布位置集中与分散性，选取6 组组合进行比较分析：组合1A（13 个鹿头）、组合1B（无鹿头）、组合1（鹿头7+鹿头8+鹿头9+鹿头10+鹿头11）、组合2（鹿头3+鹿头4+鹿头8+鹿头9）、组合3（鹿头3+鹿头6+鹿头7+鹿头11）、组合4（鹿头1+鹿头2+鹿头3+鹿头4）。

表1 鹿头尺寸Tab.1 Deer Head Size （m）

由表2 可知，6 种组合模型计算质量相近，各组合模型前三周期偏差较小，说明6 种组合振型特征差别较小，其中组合1A 与组合4 均包含最高鹿头1，相应周期较其他组合较大，说明鹿头1 对结构的动力特征有一定的影响；此外，各组模型地震基底剪力、地震倾覆弯矩、地震层间位移角及扭转位移比等主要指标均较为接近，表明鹿头之间的组合对主体结构的受力特性影响不明显；组合1A、组合1B的计算内力偏大，可取2 个模型的包络设计。

4 验算整体模型（组合1A）可行性

以1 号鹿身为例，1 号鹿身几何尺寸如表1 所示，分别建立3个模型（见图3）。模型1依据《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》［9］计算风荷载，采用底部剪力法计算地震作用；模型2、模型3利用YJK根据文献9］分别计算风荷载，采用振型分解反应谱法计算其地震作用；对比3个模型中的1号鹿身基底内力，以验证整体模型可行性。

4.1 风荷载内力分析

根据文献［9］，考虑到鹿头之间互相干扰，干扰系数取1.3，所以体型系数μs=1.4×1.3=1.82；地面粗糙度为B 类，W0=0.3 kN/m2。考虑到鹿头外包装影响，按实际迎风面积计算风荷载。

基底（H=36.70 m）：风压高度变化系数μz1=1.48，风振系数βz=1.03，Wk1=1.03×1.82×1.48×0.3×5.9=4.91 kN/m。

平台（H=66.47 m）：风压高度变化系数μz2=1.76，风振系数βz=1.92，Wk2=1.92×1.82×1.76×0.3×4.4=8.12 kN/m。

鹿头（H=82.00 m）：风压高度变化系数μz3=1.88，风振系数βz=2.56，Wk3=2.56×1.82×1.88×0.3×2.5=6.57kN/m。

风载在1号鹿身基底产生的剪力及倾覆弯矩：Vk=（6.57+8.12）×15.53/2+（8.12+4.91）×29.77/2=306.7 kN；Mk=（2×6.57+8.12）×15.532/6+（6.57+8.12）×15.53×29.77/2+（2×8.12+4.91）×29.772/6=7 277.56 kN·m，对于高耸结构，构件承载力设计时，考虑风荷载放大系数为1.1倍。

图3 1号鹿身对比模型Fig.3 No.1 Deer Body Comparison Model

表2 6种组合各指标对比Tab.2 Comparison of Indexes of Six Combinations

4.2 地震作用分析

由《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010（2016 年版）》［10］，采用底部剪力法计算1 号鹿身在地震作用下基底剪力及倾覆弯矩，T1=1.31 s，a1=0.012，1号鹿身划分为9个质点，考虑鞭梢效应放大3倍，基底剪力VEK=FEK=3×0.012×0.85×812×1 000×9.8=243.5 kN，δn=0.175，倾覆弯矩MEK=6 011.8 kN·m。

4.3 3个模型基底内力对比分析

3 个模型的1 号鹿身基底剪力及倾覆弯矩计算结果如表3所示，计算结果表明，在风荷载作用下，模型2、模型3的基底剪力与倾覆弯矩基本能包络模型1的结果；模型3 与模型2 的计算结果基本相近；模型1 采用底部剪力法计算地震作用，其本身地震效应放大3倍，增大部分可不传递给主体结构，而传递部分仅为V=81.2 kN、M=2 003.9 kN·m，小于模型2、模型3 采用振型分解反应谱法的计算数值，因此采用模型3 用于施工图设计，但鹿身需采用底部剪力法并考虑鞭梢相应复核其本身及与主体结构的连接承载力。

表3 风荷载、地震作用下基底剪力及倾覆弯矩对比Tab.3 Comparison of Base Shear and Overturning Moment under Wind Load and Earthquake

5 结语

基于某长颈鹿城堡结构设计项目，本文研究分析了6 组鹿头组合下，结构的整体受力与变形指标差异，以及在风和地震作用下进一步验证了整体模型的可行性；表明鹿头之间的组合对主体结构的受力特性影响不明显，组合1A、组合1B 的计算内力偏大，可取2个模型的包络设计。本文的研究成果与思路可为其他工程提供参考借鉴。