强化抗风及抗震式标志塔结构设计范文

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摘要：以某海洋王国的标志塔为例子，提出一种具有结构刚度大、抗风及抗震能力强特点的高层标志塔结构体系，并且建立模型，验算结构体系的合理性。结果表明该结构变形和强度均满足要求，各项计算指标良好，有效地解决现有的高层标志塔结构存在结构刚度低、耐地震能力差等问题，为同类型工程提供参考。

关键词：切片层结构；构筑物；钢筋混凝土结构；高层标志塔

引言

随着旅游业的快速发展，各地不断涌现各种主体游乐园。游乐园为了突出自身特点，均会设计地标式的标志物，该类标志物形状奇特，而且有追求高、大的趋势。随着标志物的发展，国内已出现60m以上的标志塔，并且兼顾表演功能，该类标志塔已经达到超高层建筑结构高度，对风和地震敏感，若发生安全事故会对人民生命财产和社会舆论产生较大影响。现有技术中，传统的公园标志物多采用钢网编织外喷混凝土、玻璃钢一体成型或拼装成型，稍大型标志物采用轻钢骨架内支撑。由于此类轻钢骨架内支撑的抗风、抗震能力较弱，因此无法满足超大型标志物受力需要，存在结构刚度低、耐地震能力差等安全隐患。本文就某海洋王国内标志塔的一个实际工程案例，介绍一种强化抗风及抗震式构筑物结构体系，为类似工程提供合理的建造措施。

1工程实例

本工程为珠海横琴某海洋王国ICON标志塔结构，作为全园区的制高点，该标志塔外形为一条跃出水面的巨型鲸鲨，鲸鲨雕像高度约65m，标志塔的特殊造型需要与外立面造型包装专业进行结构的配合。由于鲸鲨构造物造型复杂，结构的最初方案是主体骨架采用钢结构，但综合考虑由于靠海边，第一点是钢结构怕腐蚀，需经常维护；第二点是海边经常有台风，风荷载大，故改为采用混凝土框架结构［1-2］。经过一系列计算分析，采取层层转换结构体系，混凝土结构尽量做至外表皮边线，减少二次结构范围，减少预埋件。另外标志塔表皮采用不锈钢压制而成，与二次钢结构连接，最终实现图1效果。

2结构布置方案

［3］由于所述高层标志塔结构整体呈立式鲸鲨状（见图2），从标志塔底面到10m处为楼层结构，可设大型展馆，采用框架结构体系。10m以上为鲸鲨标志塔塔体部分，从10m处开始，每隔4m设置一个切片层，共设的14个切片层、形成切片层结构，各个切片层相隔为4m，每个切片层的构造、形状均对应建筑设计图在对应高度的水平截面形状，所述的切片层结构由钢筋混凝土施工固定，各个切片层和各种梁柱构成了基本框架结构的梁柱结构，基本框架结构的固定与支承部分还包括了剪力墙结构、斜撑和局部转换结构，在施工过程中切片层结构配合剪力墙结构、斜撑与局部转换结构，将复杂的空间造型简化为楼层结构，基本框架结构的施工逐层进行，下层的切片层实现施工后为上层的切片层提供受力支点和施工平台。

2.1主体部分具体设计

参照图2，本标志塔的基本框架包括梁柱结构、剪力墙结构、斜撑及局部转换结构和切片层结构。外部造型结构由幕墙轻钢结构构成。位于第10m、第14m和第18m位置的切片层为长方形结构，如图3所示：各长方体结构的4个角和4条边的中间位置设有柱连接端，各长方体结构设有2个等边式“L”形剪力墙边，各长方体结构4条边中间位置的柱连接端通过钢筋连接、形成加强型连接结构；在第10m、第14m位置的长方形结构中非剪力墙边位置的框体内各设有钢加强框，在第18m位置的长方形结构中剪力墙边位置的框体内各设有钢加强框；2个等边式“L”形剪力墙边构成向上延伸剪力墙基础。位于第22m高位置的切片层，如图4所示：包括一梯形框和一三角形框，梯形框和三角形框具有相同的底边，梯形框中分为长方形框体和梯形框体，在长方形框体和梯形框体，在长方形框体和梯形框体的角位各设有柱连接端，在三角形框的顶角和底角各设有柱连接端。长方形框体内设有钢加强框，长方形框体构成向上延伸剪力墙基础。

3结构方案优势

⑴本标志塔结构的基本框架包括梁柱结构、剪力墙结构、斜撑及局部转换结构和切片层结构。切片层结构由若干个切片层构成，切片层等间距设置并通过梁柱结构定型，各切片层的构造不同、形状各异，在二切片层之间各设置剪力墙、形成剪力墙结构，在构造不同、形状各异的切片层之间设置斜撑及局部转换梁，构成斜撑及局部转换结构。通过梁柱结构、剪力墙结构对切片层结构的定型及加强连接，以及通过斜撑及局部转换结构对构造不同、形状各异的切片层的加强连接，构成强化抗风及抗震结构。因此能够解决现有的高层标志塔结构存在结构刚度低、耐地震能力差等问题，具有结构刚度大、抗风及抗震能力强等空出的有益效果［4，5］。⑵本结构采用等距截面的方式，将高层复杂结构的标志塔转换为平楼层结构，采用传统成熟的混凝土施工工艺实现施工，降低了对施工团队的技术要求，并且大大降低了施工工期和工程造价，在结构定位方面，也降低了复杂结构的定位难度，采用等距截面的方式对标志塔作大致规划，并通过常规框架和剪力墙结构将标志塔简化，类似楼层结构的施工方式大大降低了施工难度和工程成本。⑶在外部造型上，选用了幕墙轻钢结构施工技术进行施工，对于较复杂的结构部分采用轻钢结构骨架施工技术，轻钢结构骨架支撑在各个切片层混凝土结构上，有效减低钢结构支承跨度，由于等距截面结构的存在，整个外部造型施工更方便，也便于对局部的整改或优化，提高了标志塔的外观美感，更吸引游客眼球，具有较强的可观赏性。［6，7］⑷与传统钢网编织外喷混凝土、玻璃钢一体成型和拼装成型的结构对比，本结构的受力上限大有提升，在满足超大型标志物的受力需求的前提下，具有更强的稳固性，耐地震，耐飓风，达到了更高的标志物安全性能指标。

4计算结果分析

［8-10］本工程采用中国建筑科学研究院编写的《高层筑结构空间有限元分析与设计软件（SATWE）》［11］用CQC法对结构进行整体分析。

4.1指标计算结果

结构整体计算模型如图5所示。经过计算得到图6为结构前三阶振型图。⑴根据表1可以看出前三阶周期分别为1.33s（Y向平动），0.97s（X向平动）和0.53s（扭转），周期较短，证明结构整体刚度比较大，而且周期比为0.4，满足文献［3］第3.4.5条小于0.9的要求。⑵最大位移与平均位移，最大层间位移角与平均层间位移角的比值是单向地震，考虑偶然偏心下的结果。其最大层间位移角小于1/650，满足文献［12］第3.7.3条要求（见表2）。⑶所有楼层剪重比均大于1.6，满足文献［1］第5.2.5条要求（见表3）。⑷计算振型数取12个，X、Y向质量参与系数分别为96.63%，99.50%，均大于90％，满足规范要求。

5结语

综上所述，本标志塔结构体系不仅有效地解决外部造型配合复杂，施工难度高，工程造价高等一系列问题。而且按空间整体工作进行弹性分析，同时根据计算分析结果和概念设计方法，对关键和重要构件作了适当加强，以保证在地震作用下的延性。该计算结果表明各项指标均良好，满足多遇地震下弹性要求，达到“小震不坏”的第一水准抗震性能目标，同时满足国家规范要求，表明结构设计是可行且安全的。

参考文献

［1］建筑抗震设计规范：GB50011-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［2］混凝土结构设计规范：GB50010-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［3］高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3-2010［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［4］胡志广.高耸结构风荷载的简化计算［J］.山西建筑，2013，39（24）：54-55.

［5］王赞芝，江林雁，江培信，等.高耸结构风效应通用分析方法［J］.工业安全与环保，2011，37（7）：37-38+44.

［6］钢结构设计规范：GB50017-2013［S］.北京：中国计划出版社，2003.

［7］张耀春.钢结构设计原理［M］.北京：高等教育出版社，2004.

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［9］陆道渊，徐麟.青岛海尔集团观光标志塔结构分析［J］.建筑结构，2004，34（11）：43-46.

［10］鲁莉，崔鸿超，陈明.巨型佛像结构设计与蒙皮效应探讨［J］.建筑结构，2013，43（16）：35-38+34.

［11］杨星.PKPM结构软件从入门到精通［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［12］高层建筑混凝土结构技术规程（广东省标准）：DBJ15-92-2013［S］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

作者：王伟江 余楚江 刘薇 单位：广州市设计院