320m超高网格结构静力、抗风及温度应力分析

2021-11-15樊钦鑫齐亚军谢军徐志坚杨超杰

特种结构 2021年5期

樊钦鑫齐亚军谢军徐志坚杨超杰

1.中国航空规划设计研究总院有限公司北京100120

2.甘肃安宇工程造价咨询有限公司兰州730000

1 工程概况

某电视塔总高约320m，其中塔身高度接近251m，桅杆高69m。主塔与附属裙房总建筑规模为20169m2，其中地上建筑面积16909m2，地下建筑面积3260m2。地上一共13个使用楼层（含5个避难层）、18个检修层，地下2层。地上主要层高为5.2m，地下层高为6m、3.5m。塔座地下主要为设备用房，地上主要功能为信号传输机房、应急播出直播间及休息区等；塔楼共6层，下面4层布置了避难层、广电发射、微波传输、车载电视、通讯传输用房、配电室、空调机房和传输泵房，顶层布置了观光大厅和餐厅。该塔集广播、电视发射、节目传送、卫星接收功能于一体，同时还设有餐饮娱乐、购物、展示展览、观光旅游等多种综合功能。

建筑形象取意于蒙古传统元素，塔身从地面逐渐升起，塔身中部收束，犹如美丽的科尔沁姑娘旋转舞动的洁白裙摆。建筑造型汲取蒙古包结构骨架的建造方式，采用菱形的网格穿插而成，采用“哈那”的组织结构，利用网格进行夜景照明设计，建筑形象绚丽多彩，体现了建筑的现代感，建筑效果如图1所示。

图1 建筑效果Fig.1 Architectural rendering

2 结构总体介绍

2.1 主要设计参数

主体结构设计使用年限为50年，安全等级为一级，建筑抗震设防类别为重点设防类，地基基础设计等级为甲级，桩基设计等级为甲级，基本雪压值：0.35kN/m2（100年）。

2.2 风荷载取值

《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）（以下简称《高规》）提供的风压计算方法仅适用平缓变化的建筑，不能反映不规则建筑物某些范围风压沿高度剧烈变化的真实情况。该电视塔沿竖向两头大中间小的细腰体系，质量和外形无统一的规律，无法对这类结构物风荷载计算。故采取风洞试验模拟风荷载，试验模型缩尺比确定为1∶300（图2），基本参数见表1。

表1 风荷载基本参数Tab.1 Wind load basic parameters

图2 风洞试验模型Fig.2 Wind-tunnel test

2.3 地震作用取值

本地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第1组，场地类别为Ⅲ类，基本参数见表2。

表2 地震作用参数Tab.2 Earthquake parameter

2.4 温度作用取值

根据《高耸》要求［1］：对带塔楼的多功能电视塔应计算塔楼内外结构的温差作用效应，包括日不均匀日照内外筒温差，施工、使用状态与合龙状态的温差。当地月平均最高温度33℃，月平均最低温度-25℃；要求施工合龙温度在5℃～15℃，温度作用取值说明如下，具体见表3。

表3 内外筒外露部分温度取值Tab.3 Temperature value of exposed part of inner and outer tube

（1）施工状态、使用状态气温与合龙状态温差：考虑室内室外的不均匀温差，除使用功能外所有外筒钢结构考虑＋40℃，降温考虑-40℃。内筒混凝土外露部分升温考虑＋30℃，降温考虑-40℃；

（2）使用状态（不均匀日照温差）：室外暴露的结构宜考虑太阳辐射的影响；由日照引起向阳面和背阳面的（钢网格、混凝土塔段），温差最大值应按实测数据采用，当无实测数据时可按20℃采用。

2.5 内筒结构选型

筒中筒结构中内外筒均为主要抗侧力构件［2-4］，同时内筒还要承担竖向荷载，传统高耸结构内筒多采用钢框架＋支撑体系，但是从民用建筑角度综合考虑抗风、保温、消防、施工等因素内筒采用高强混凝土核心筒方案，主要从以下四个方面考虑：

（1）高耸结构属于风敏感结构，当地基本风压10年重现期达到0.40kN/m2，屋顶塔楼为展览、观光、餐饮，对舒适度要求较高，内筒采用钢结构，舒适度很难满足使用要求。

（2）桅杆底部拉力传力路径更直接，内筒如采用钢结构需要设置加强层把拉力传至外筒；

（3）外钢网格采用焊接连接，需要内筒在高空施工中作为侧向刚性支承点，保证高空焊接质量；

（4）减少二次结构填充墙、隔墙施工，防止墙体高空坠落，为满足严寒地区建筑外墙保温及建筑防火要求，宜设计成混凝土核心筒。

2.6 结构体系构成

从高耸结构角度，结构体系主要分为五个部分：塔基、塔座、塔身、塔楼、桅杆，如图3所示。

图3 结构体系构成（一）Fig.3 Structure system（1）

从高层结构角度，电视塔具有建筑体型独特、平面功能复杂、结构体系特殊，外筒腰部纤细、大面积透空节段、平面节点连接错位，外部格栅装饰复杂等特点。结合建筑设计理念及造型，首先充分利用外围网格结构作为结构主受力构件，减小结构的高宽比，增大抗水平荷载倾覆力矩，加强内外筒联系，形成整体筒中筒抗侧力体系，把结构的抗侧力效率发挥至最大。综合考虑经济性、利用率、施工技术及国内外应用情况等因素，采用筒中筒混合结构体系［5，6］（16个交叉节点全焊接钢结构交叉网格外筒＋内设型钢高强混凝土核心内筒＋29道环向约束环杆＋12层放射布置型钢楼面梁及钢筋桁架楼承板＋17道圆管横隔＋钢结构桅杆），如图4所示。

图4 结构体系构成（二）Fig.4 Structure system（2）

外网格体型为一个正圆旋转体，内筒平面为八边形，塔座交叉节点支承在16个巨柱顶，每个节点间角度为22.5°，内外筒之间钢梁或横隔沿节点间角度放射形布置，外筒交叉网格为32根斜柱组成，各有16根顺时针和16根逆时针绕圆心向塔顶旋转540°至塔楼顶部V型底。竖向形体为细腰型，竖向内外筒最薄弱位置在1/3～2/3高度处，外筒最细在122.2m处直径为20m，对应高宽比为6.14，塔座外筒直径为78m，高宽比为3.14，塔楼顶直径外筒直径为37m，形成两端大、中间小的“细腰”型，给设计带来非常大的难度。

主要构件截面：内筒体墙厚400mm～600mm，混凝土强度C40～C60；塔身外筒典型交叉网格截面圆管φ1000×40mm、φ900×35mm、φ800×30mm、φ600×25mm，典型横隔及楼面框架梁截面H800×300×14×22、H700×300×13×20、H600×300×12×17，箱型500×300×20×20、400×300×15×15，钢材材质为Q390D、Q355D；楼板截面130mm/150mm，混凝土强度C30。

2.7 地基基础设计

电视塔主体采用桩筏基础，本着安全、经济的原则并结合当地施工条件，在电视塔内筒核心筒下和外筒巨柱下拟采用泥浆护壁钻孔灌注桩，以第⑦层细砂层作基础持力层，桩直径d＝0.8m～1.0m，桩长约40m～50m，保证所有桩端持力层为第⑦层细砂层。内外筒之间部分基础采用筏板基础：持力层为③层细砂层，地基承载力标准值为fka＝140kPa。内筒最大的沉降量约为49.6mm＜200mm，外筒巨柱最大沉降量25mm＜200mm，内筒边与外筒沉降差为20mm，距离为28m，基础间倾斜为0.0007＜0.002，满足《高耸》规范要求。

3 整体稳定及重力二阶效应分析

3.1 整体稳定

电视塔为高耸结构，且风荷载作用下结构的水平位移较大，重力荷载在侧移下引起的附加效应显著，需要采用ANSYS有限元软件进行整体结构的屈曲模态分析、几何非线性（位移-荷载）全过程分析。通过临界荷载判断结构的整体稳定性，分析时采用的荷载组合为R（1.0恒＋1.0活＋1.0风）。

结构屈曲分析的主要模态及相应的屈曲荷载系数见图5。根据以往的工程经验，高层整体结构线性屈曲临界荷载不小于10倍初始标准荷载，经计算满足要求。

图5 屈曲荷载系数Fig.5 Buckling load coefficient

为考察超高网格结构体系是否有整体失稳的可能，选取了第1阶屈曲模态作为初始缺陷分布模态，塔顶结构初始缺陷最大取500mm，由底层至顶层各层位移达到限值且线性累计，按此计算的初始缺陷大于《钢结构工程施工质量验收标准》（GB50205—2020）要求的整体垂直度允许偏差。

结构考虑几何非线性失稳时的网壳稳定承载力安全系数K值为7.4＞4.2见图6，满足《空间网格结构技术规程》（JGJ7—2010）相关要求。同时在失稳时结构都表现为整体失稳，未出现局部构件失稳的情况，证明结构整体的稳定性是安全可靠的。

图6 荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curve

3.2 重力二阶效应

重力二阶效应一般包括两部分：一是由于构件自身挠曲引起的附加重力二阶效应，即P-δ效应，内力与构件的挠曲形态有关；二是结构在水平荷载作用下产生侧移变位后，重力荷载由于该侧移而引起的附加效应，即P-Δ。本工程为高耸结构细腰位置高宽比较大，塔楼顶部荷载集中，由结构侧移和重力荷载引起的P-Δ效应明显，可使结构的位移和内力增加，导致结构失稳。

《高规》中通过刚重比来控制结构的重力二阶效应和整体稳定；适用条件是剪切弯曲变形为主，质量和刚度沿竖向分布较为均匀，结构等效侧向刚度可以采用近似按倒三角分布荷载作用的结构顶点位移相等原则，将结构的侧向刚度折算成竖向悬臂受弯构件的等效侧向刚度。建筑体型复杂，中区存在体型局部收进的“瘦腰”部，质量主要集中在塔楼顶，《高规》建议的公式及限值并不适用。因此应采用直接分析法计算重力二阶效应。

表4是风荷载和中震作用采用直接分析法计算的包络增大系数，细腰部影响最大，故有水平荷载参与的标准或基本组合时，应乘以P-Δ增大系数。

表4 考虑P-Δ影响的内力、位移增大系数Tab.4 Internal force and displacement increasing coefficient under the influence of P-Δ

4 抗风分析

电视塔为外形独特、高耸细长的小阻尼复杂结构［7］，对风荷载的静力和动力作用都很敏感，风荷载已成为其结构设计的控制荷载之一。《建筑结构荷载规范》（GB50009—2012）方法计算的风压沿高度是平缓的变化，不能反映不规则建筑物动力风压沿高度剧烈变化的真实情况，因此有必要通过风洞模型试验来确定风荷载。

风压试验及风振分析：主要是采用刚性模型考虑地面粗糙度测量气流流过试验时作用在结构上的空气动力，通过测压传感器获取结构的表面风压分布以及受力情况，主要给出测点体型系数随风向的变化。根据随机振动理论，利用风洞试验得到的风压时程进行计算。给出用于主体结构承载力设计的考虑顺风向脉动风影响的等效静风荷载、位移及加速度。

高频底座天平测力试验：刚性模型试验的一种，风洞模型试验模型外形特征完全仿照建筑物制作。通过风洞试验测得的结构基底力和力矩，与结构分析前三阶自振频率相结合，就可以得出模型的风致响应。考虑气弹性模型试验复杂性，为了相对准确地模拟高、细、柔建筑物受到动力荷载的响应，采取天平测力刚性模型试验进行补充验算。

风荷载取值，以风压试验及风振分析和天平测力试验为基础，取两者包络值作为结构风荷载工况。

4.1 风载控制下外筒应力比

图7为风载控制下外筒及桅杆构件应力比，可以看出在风荷载控制组合下，外筒个别杆件应力比在0.9（等效面外受压计算长度按照最不利取值偏保守），其余大部分应力比均小于0.85，桅杆所有杆件应力比在0.7以内。

图7 风荷载组合下应力比分布Fig.7 Stress ratio distribution under wind load combination

4.2 楼层剪力和倾覆弯矩

图8为双向风载作用下结构内外筒剪力和倾覆弯矩分布情况。

从图8看出，因在46.8m～52m设置消防传输泵房，内外筒间通过楼面梁及楼板连接，在外筒设置两道环杆，因外筒层间高度减小导致外筒的刚度增大，内筒的剪力出现反号。在主体结构的中下区，外筒的抗侧刚度显著大于内筒，因此抗水平力主要由外筒承担。在塔座位置，外筒承担剪力达到90%以上，内筒约10%，外筒承担倾覆力矩约75%，内筒约25%，随着高度增加，形体收进外筒承担剪力和弯矩比例降低。在100m细腰位置以上内筒承担水平力略大于外筒，内外筒共同承担剪力和弯矩［7，8］。

图8 X向楼层剪力和倾覆力矩分配Fig.8 Distribution of floor shear and overturning moment in X-direction

4.3 层间位移角

《高规》要求考虑弯曲变形的高层结构层间位移角限值1/500，这种规定及层间位移角算法适用于剪切变形为主考虑弯曲变形修正的高层，很显然对于高耸结构弯曲变形较大的结构不适用，因此更应该关注层间有害位移角。高耸结构一般不做层间位移角限值要求，对于有塔楼的或容易造成非结构构件破坏的部位应控制该部位层间位移角，计算时应扣除该位置弯曲转角造成的层间变形值。

结构的混凝土核心筒层间位移角及有害层间位移角［9，10］如图9所示，最大值见表5。

图9 Y向位移角和层间位移角Fig.9 Displacement angle and interlayer displacement angle in Y-direction

表5 混凝土核心筒层间位移角及有害位移角Tab.5 Harmful displacement angle and interlayer displacement angle of concrete core walls

混凝土核心筒的广义剪切变形角与受力相关性较好，能较好地反应出结构的实际层间变形。结构的顶层扣除弯曲变形的层间位移角均满足《高耸》层间有害位移角不大于1/1000要求。

4.4 塔顶及桅杆位移响应

结构的顶层总变形，Y向位移要显著大于X向，且较大的位移值都发生在顺风向。满足塔楼剪切变形1/300、桅杆变形1/100的《高耸》要求，见图10及表6。

图10 50年重现期风压作用下Y向位移响应Fig.10 Displacement response in Y-direction under wind pressure in50years of recurrence period

表6 50年重现期风压作用下最大位移Tab.6 Maximum displacement under wind pressure in 50years of recurrence period

4.5 塔楼最大加速度

结构塔楼最大加速度取风压试验和天平测力试验所得最大加速度包络值，见图11及表7。

图11 风压作用下加速度响应Fig.11 Acceleration response under wind pressure

表7 风压作用下最大加速度（1%阻尼比）Tab.7 Maximum acceleration under wind pressure

当阻尼比取0.01时，对应0.4w0，塔楼顶Y向的最大加速度小于0.2m/s2，符合《高耸》对建筑舒适度要求；对应10年重现期风压，塔楼顶Y向的最大加速度不超过0.25m/s2，符合《高规》对建筑舒适度要求。考虑建筑塔楼顶有餐厅、观光展厅功能，加速度接近限值，有必要采取措施改善结构塔楼顶舒适度，拟结合屋顶水箱采用设置液体调频质量阻尼器TLD，增加结构阻尼来减小顶层加速度响应。