董 羽，裴忠慶，李敬明（天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司， 天津 300000）

隨著通信事業(yè)的發(fā)展，建筑屋頂加建鐵塔，在工程中越來越常見。由于鐵塔與主體結(jié)構(gòu)為兩種不同的結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計(jì)時(shí)，若簡單的將鐵塔荷載加在主體結(jié)構(gòu)上進(jìn)行計(jì)算，兩種結(jié)構(gòu)體系間的相互作用則無法考量。

本文以具體工程為例，分析了高層建筑屋頂加建鐵塔后的地震響應(yīng)，得出了鐵塔對于主體結(jié)構(gòu)影響的量化后的數(shù)據(jù)。這將為今后此類工程建設(shè)、既有工程加固改造等，提供參考性的依據(jù)。

1 工程概況

本工程為河北省某交警業(yè)務(wù)技術(shù)用房，總建筑面積 19470 m2, 其中地下建筑面積 2320 m2，地上建筑面積 17150 m2。建筑主體為地上 6 層、地下 1 層。其中，地下室層高 5.1 m，地上部分首層層高 4.8 m（辦事大廳部分 9.9 m），2 層層高 5.1 m，3～5 層層高均為 4.2 m，6 層層高 8.4 m。當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度為 7 度（0.10g）。結(jié)構(gòu)方案為：主體部分采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，辦事大廳部分采用鋼框架結(jié)構(gòu)，二者之間設(shè)置抗震縫一道；框架抗震等級為二級。

該工程施工至第 5 層時(shí)，根據(jù)甲方要求，需要在樓頂加設(shè) 1 座 30.0 m 高的鐵塔，鐵塔自重約 15 t。因工程已施工過半，故需要對未施工部分調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，對已施工部分進(jìn)行復(fù)核，并對薄弱部位進(jìn)行加固。

2 屋頂結(jié)構(gòu)方案

加建鐵塔共分為 5 節(jié)，總高度為 30 m，采用鋼結(jié)構(gòu)桿系體系，其橫斷面為正方形，底部則由 4 個(gè)塔腿與主結(jié)構(gòu)連接。整座鐵塔的桿件均為角鋼，結(jié)構(gòu)模型如圖 1 所示。

圖1 鐵塔結(jié)構(gòu)模型

原建筑裝飾層沿建筑屋頂四周設(shè)有一圈裝飾坡屋面，其外檐頂部高出屋面 6.5 m，坡屋面內(nèi)部為中空，位于建筑平面中部的消防水箱間高出屋面 3.6 m。為盡量減小鐵塔高度，并兼顧建筑效果，只能把鐵塔設(shè)于消防水箱間之上。由于消防水箱間屋頂?shù)陀谕忾?，故須設(shè) 2.5 m 高的支墩，作為鐵塔的基座。加設(shè)鐵塔前，原裝飾層結(jié)構(gòu)局部平面圖如圖 2 所示，其中消防水箱間區(qū)域?yàn)閳D中陰影部分。

圖2 裝飾層結(jié)構(gòu)平面圖（局部）

考慮支墩尺寸較大（1.2 m×1.2 m），且難以與原有結(jié)構(gòu)柱相貫通，故采用梁上起柱轉(zhuǎn)換方案，來實(shí)現(xiàn)鐵塔與主體結(jié)構(gòu)的連接。與支墩相連的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件，框架梁截面尺寸為 600 mm×800 mm，節(jié)點(diǎn)處采用水平加腋的形式，“抱住”支墩，以保證支墩鋼筋的錨固。加設(shè)鐵塔后，裝飾層結(jié)構(gòu)局部平面圖變化如圖 3 所示。

圖3 支墩轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

對于鐵塔而言，地震作用經(jīng)過主體結(jié)構(gòu)的“放大”后，使得鐵塔的地震響應(yīng)比鐵塔單獨(dú)計(jì)算所得的地震響應(yīng)更加劇烈；對于主體結(jié)構(gòu)而言，鐵塔的“鞭梢效應(yīng)”將加大與之相連結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震內(nèi)力，同時(shí)對主體結(jié)構(gòu)可能會有一定影響。故應(yīng)將鐵塔與主體結(jié)構(gòu)按實(shí)際模型建模協(xié)同計(jì)算。本工程鐵塔由第三方進(jìn)行設(shè)計(jì)，故重點(diǎn)討論對主體結(jié)構(gòu)（圖 4）的影響。

圖4 鐵塔與主體結(jié)構(gòu)整體模型

為充分考慮鐵塔對主體結(jié)構(gòu)影響，采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用彈性時(shí)程分析法進(jìn)行復(fù)核。

4 結(jié)果分析

根據(jù)振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果，加鐵塔前后模型的前三階振型周期見表 1；加鐵塔前后模型的基底剪力見表 2。

表1 加鐵塔前后模型周期對比 單位：s

表2 加鐵塔前后基底剪力對比 單位：kN

可見，鐵塔對于整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響有限；但同時(shí)，裝飾層及屋頂層的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力變化較大，尤其是水箱間區(qū)域及屋頂層相關(guān)構(gòu)件，地震內(nèi)力及配筋大幅增加。彈性時(shí)程分析采用 1 條人工波及 2 條天然波進(jìn)行計(jì)算（表 3）。

表3 彈性時(shí)程分析選用的地震波 單位：s

3 組時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符；彈性時(shí)程分析時(shí)，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不低于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的 65%，且≤135%；3 組時(shí)程曲線計(jì)算所得地震剪力平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的 80%。各地震波均采用雙向輸入，主方向與次方向峰值加速度比例為 1.00∶0.85。其中，主方向的峰值加速度取為 35 cm/s2。最不利地震波的波形如圖 5 所示。

圖5 天然波 TDT495053

3 條地震波計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)值與振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果對比見表 4。

表4 兩種方法樓層剪力結(jié)果對比

由表 4 計(jì)算結(jié)果看出，彈性時(shí)程分析計(jì)算得到的各樓層地震剪力均小于振型分解反應(yīng)譜法的樓層地震剪力。因此，可直接采用振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 加強(qiáng)措施

計(jì)算結(jié)果表明，水箱間區(qū)域及屋頂相關(guān)構(gòu)件受力較為不利，且鐵塔與主體結(jié)構(gòu)連接處較為薄弱，除按振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果加強(qiáng)配筋外，尚應(yīng)采取構(gòu)造措施保證連接節(jié)點(diǎn)及相關(guān)結(jié)構(gòu)的可靠性。采取的結(jié)構(gòu)措施如下。

（1）水箱間區(qū)域及屋頂相關(guān)區(qū)域的框架柱箍筋于屋頂層及裝飾層全高加密，實(shí)配受力鋼筋加粗。

（2）水箱間頂板板厚加厚至 150 mm，并雙層雙向通長配筋。

（3）柱墩頂部設(shè)置聯(lián)系梁，以加強(qiáng)支墩的整體性。

（4）柱墩采用多肢復(fù)核箍筋，并全高加密；所有柱筋錨至屋面框架梁底。

（5）柱墩下轉(zhuǎn)換梁箍筋全長加密。

6 結(jié)語

本文以河北省某交警業(yè)務(wù)用房為例，針對于屋頂加建鐵塔的情形，分別采用振型分解反應(yīng)譜法及彈性時(shí)程分析法，探討鐵塔對主體結(jié)構(gòu)的影響，并對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采取了加強(qiáng)措施，以保證鐵塔與主體結(jié)構(gòu)連接的可靠性。通過以上分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）屋頂加建鐵塔后，其對整體結(jié)構(gòu)的抗震特性影響較小，結(jié)構(gòu)周期及基底地震剪力沒有顯著變化。

（2）采用彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行驗(yàn)證，加建鐵塔后，各層地震剪力均小于振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算結(jié)果。

（3）加建鐵塔后，對于與之相連的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及屋頂層的影響較大，構(gòu)件內(nèi)力有不同程度的提高，需要加強(qiáng)。

（4）鐵塔與主體結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)在設(shè)計(jì)中著重考慮，加強(qiáng)構(gòu)造措施，以保證連接的可靠性。