毛 華

(同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 工程概況

本工程為一個旅游觀光體驗項目，由1個觀光塔建筑及1個模型裝置組成。其中觀光塔建筑地下1層，地上14層，12層～14層整體向外懸外挑約14.3 m，主屋面高度約75 m，主要使用功能為觀光展覽；模型裝置高度約為72 m，內(nèi)部設(shè)置觀光電梯。

模型裝置與觀光塔凈距約8 m，根據(jù)建筑功能需要，模型裝置從12層開始伸入觀光塔的大懸挑內(nèi)部。項目建筑面積約為8 000 m2。觀光塔和模型裝置結(jié)構(gòu)在±0以下通過1層地下室連成整體。建筑立面示意圖如圖1所示。

本工程抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類?？拐鹪O(shè)防類別為丙類，設(shè)計使用年限為50年。

2 結(jié)構(gòu)方案選擇

2.1 觀光塔與模型裝置的關(guān)系

根據(jù)建筑物的總高度、抗震設(shè)防烈度及建筑的用途等情況，本工程“觀光塔”單體的結(jié)構(gòu)形式采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系，12層～14層懸挑部分采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，觀光塔平面外輪廓為矩形，低區(qū)平面尺寸約為(20×25)m。模型裝置根據(jù)建筑使用功能的需要，采用圓鋼管格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)，平面外輪廓為圓形，直徑約為3.85 m。

由此可見，觀光塔與模型裝置無論從體量上還是從結(jié)構(gòu)體系上都相差很大，其結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量截然不同，因此兩單體之間的關(guān)系處理是本工程結(jié)構(gòu)體系選型的關(guān)鍵點。針對觀光塔和模型裝置之間的關(guān)系處理，提出了兩個方案。

2.2 方案一

觀光塔和模型裝置之間通過設(shè)置抗震縫，使兩單體的地上結(jié)構(gòu)完全脫開[1]?？拐鹂p寬度約需550 mm。

從概念上來看，方案一兩個單體在地面以上徹底分開，其抗震分析模型相對簡單，容易估計其地震作用和采取抗震措施。但模型裝置的結(jié)構(gòu)高度較大、橫斷面相對較小，高寬比約為18，側(cè)向剛度較弱，在水平荷載下的變形控制是其設(shè)計難點。同時在地震作用時，由于結(jié)構(gòu)開裂、局部損壞和進入彈塑性變形，抗震縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)易發(fā)生碰撞，進而造成結(jié)構(gòu)損壞[2]。

為了進一步了解方案的優(yōu)劣，以找到合適的結(jié)構(gòu)方案，本工程在前期利用ETABS軟件對方案一進行了初步計算分析。方案一模型裝置的結(jié)構(gòu)布置及計算結(jié)果如下。

模型裝置在平面上，沿圓形外輪廓周邊設(shè)置6根圓鋼管柱作為豎向構(gòu)件，鋼管直徑為600 mm，壁厚為30 mm；高度方向每隔2.6 m設(shè)置水平構(gòu)件，同時在立面上設(shè)置斜撐，以提高抗側(cè)剛度。方案一結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

模型裝置結(jié)構(gòu)的周期及位移的主要計算結(jié)果見表1～表3，結(jié)構(gòu)前三振型示意圖見圖3。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期 s

表2 風(fēng)荷載作用下位移計算結(jié)果

表3 多遇地震作用下位移計算結(jié)果

由上述計算結(jié)果可知，風(fēng)荷載及多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)位移角均遠(yuǎn)小于限值，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度主要由風(fēng)荷載作用下的側(cè)向舒適度控制。

2.3 方案二

觀光塔和模型裝置結(jié)構(gòu)之間采用弱連接，觀光塔為模型裝置提供側(cè)向支撐。

具體做法為兩者之間在12層以下隔層設(shè)置水平鋼梁(連廊)進行拉結(jié)，鋼梁兩端均采用鉸接；12層～14層，兩者之間設(shè)置粘滯阻尼器進行連接，通過構(gòu)造處理實現(xiàn)豎向“脫開”，僅傳遞水平力，以避免大懸挑結(jié)構(gòu)對模型裝置在豎向上的不利影響。模型裝置與觀光塔結(jié)構(gòu)三維示意圖見圖4，粘滯阻尼器連接示意圖見圖5。

方案二中，兩單體之間采用弱連接[3]，僅傳遞水平力，不傳遞豎向力，這樣既可解決模型裝置的側(cè)向穩(wěn)定問題，又能夠部分釋放觀光塔對模型裝置的不利影響。但此方案分析模型相對復(fù)雜，地震作用下可能會出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，連接部位也可能會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

方案二模型裝置的結(jié)構(gòu)布置及利用ETABS軟件的計算結(jié)果如下。因采用弱連接，觀光塔給模型裝置提供了側(cè)向支撐，對模型裝置的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，平面上仍在周邊設(shè)置6根圓鋼管柱，鋼管直徑改為520 mm，壁厚為16 mm；高度方向每隔2.6 m設(shè)置水平構(gòu)件，取消立面上的斜撐。方案二三維示意圖見圖4。

模型裝置結(jié)構(gòu)的周期及位移的主要計算結(jié)果見表4,表5。

表4 風(fēng)荷載作用下位移計算結(jié)果

表5 多遇地震作用下位移計算結(jié)果

由上述計算結(jié)果可知，因為有觀光塔提供側(cè)向支撐，風(fēng)荷載及多遇地震作用下，模型裝置結(jié)構(gòu)位移角均遠(yuǎn)小于限值，風(fēng)荷載作用下的側(cè)向舒適度也明顯提升。

2.4 方案對比

由2.2及2.3節(jié)可知，方案一為滿足側(cè)向剛度的需求，柱截面尺寸要大于方案二，水平梁間距需加密，同時設(shè)置了斜撐形成“筒體”，共同抵抗水平荷載。

表6 模型裝置的鋼材用量對比 t

兩個方案中模型裝置的結(jié)構(gòu)用鋼量估算見表6，可知方案二比方案一節(jié)約鋼材約150 t。

與方案一相比，方案二不但節(jié)省了材料，同時結(jié)構(gòu)在水平荷載下的性能也大大提高。

由于取消了斜撐，方案二中模型裝置內(nèi)觀光電梯的視野更加開闊，因此從建筑使用功能角度上看，方案二也有較大優(yōu)勢。

另外，方案一需在模型裝置和觀光塔之間設(shè)置較寬的抗震縫，建筑上處理難度也很大。

經(jīng)綜合考慮，最終選擇方案二，即模型裝置和觀光塔之間采用弱連接的方案進行后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。觀光塔為模型裝置提供側(cè)向支撐，通過構(gòu)造處理實現(xiàn)僅傳遞水平力，不傳遞豎向力，以避免大懸挑結(jié)構(gòu)對模型裝置在豎向上的不利影響。

3 結(jié)語

本工程由觀光塔結(jié)構(gòu)與模型裝置結(jié)構(gòu)兩個單體組成，二者在使用功能上是有聯(lián)系的，但因其結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量相差較大，故二者之間的關(guān)系處理是設(shè)計的關(guān)鍵點。

如將兩個單體的地上結(jié)構(gòu)通過抗震縫徹底分開，雖容易估計其地震作用和采取抗震措施，但模型裝置自身側(cè)向剛度較弱，需要耗費更多的材料，且支撐的設(shè)置會對建筑外立面造成不利影響。另外在地震作用下，抗震縫兩側(cè)的結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生碰撞損壞的風(fēng)險。

經(jīng)綜合比較，考慮觀光塔和模型裝置之間采用弱連接，觀光塔為模型裝置提供側(cè)向支撐，通過構(gòu)造處理實現(xiàn)僅傳遞水平力，不傳遞豎向力，以避免大懸挑結(jié)構(gòu)對模型裝置在豎向上的不利影響。既節(jié)省了材料、又提高了結(jié)構(gòu)安全度，同時也有利于建筑使用。