某框架结构屋顶加建铁塔后地震响应分析

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。

图5 天然波 TDT495053

3 条地震波计算结果的包络值与振型分解反应谱法的计算结果对比见表 4。

表4 两种方法楼层剪力结果对比

由表 4 计算结果看出，弹性时程分析计算得到的各楼层地震剪力均小于振型分解反应谱法的楼层地震剪力。因此，可直接采用振型分解反应谱法的计算结果进行设计。

5 加强措施

计算结果表明，水箱间区域及屋顶相关构件受力较为不利，且铁塔与主体结构连接处较为薄弱，除按振型分解反应谱法计算结果加强配筋外，尚应采取构造措施保证连接节点及相关结构的可靠性。采取的结构措施如下。

（1）水箱间区域及屋顶相关区域的框架柱箍筋于屋顶层及装饰层全高加密，实配受力钢筋加粗。

（2）水箱间顶板板厚加厚至 150 mm，并双层双向通长配筋。

（3）柱墩顶部设置联系梁，以加强支墩的整体性。

（4）柱墩采用多肢复核箍筋，并全高加密；所有柱筋锚至屋面框架梁底。

（5）柱墩下转换梁箍筋全长加密。

6 结语

本文以河北省某交警业务用房为例，针对于屋顶加建铁塔的情形，分别采用振型分解反应谱法及弹性时程分析法，探讨铁塔对主体结构的影响，并对关键节点采取了加强措施，以保证铁塔与主体结构连接的可靠性。通过以上分析，可以得出以下结论。

（1）屋顶加建铁塔后，其对整体结构的抗震特性影响较小，结构周期及基底地震剪力没有显著变化。

（2）采用弹性时程分析方法进行验证，加建铁塔后，各层地震剪力均小于振型分解反应谱法的计算结果。

（3）加建铁塔后，对于与之相连的结构构件及屋顶层的影响较大，构件内力有不同程度的提高，需要加强。

（4）铁塔与主体结构的连接应在设计中着重考虑，加强构造措施，以保证连接的可靠性。