某超高層建筑超大觀景平臺的受力分析

摘 要：該觀景平臺為武漢市地鐵7號線風(fēng)塔的一部分，外形要求高，通過對該觀景平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析，經(jīng)過不同的結(jié)構(gòu)方案對比，巧妙的利用上下兩層的高度，用雙向交叉桁架的方式軸線從兩個方向均挑出8.735m的距離，斜向平臺邊長為20.5m，根據(jù)合理的方案后，通過加速度時程法進(jìn)行舒適度分析，得出結(jié)論：經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，長懸臂平臺能滿足舒適度的要求;觀景平臺設(shè)計時，要充分重視荷載不均勻分布帶來的不利影響。

關(guān)鍵詞：長懸臂;觀景平臺;舒適度

該高層建筑為市地鐵7號線風(fēng)塔，塔樓總建筑面積102122.85m2，地上建筑面積89526.21m2，地下建筑面積12596.64m2。塔樓大屋面標(biāo)高194.650，局部風(fēng)塔頂標(biāo)高210000m，各層層高：地下負(fù)三層層高4.25m，地下負(fù)二層、負(fù)一層層高5.4m，1層層高5.60m，2～5層層高為4.50m，6～11，13～23，25～35層高均為4.10m，37～46層為4.20m;12、24、36層層高均為4.750m;37～46層局部收進(jìn)，在43層設(shè)觀景平臺。該觀景平臺懸挑長度較大，而且質(zhì)量輕、自振頻率小，在人行激勵作用下的振動問題需受到人們的重視，當(dāng)外部激勵頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率相近時容易激發(fā)共振。本文通過不同結(jié)構(gòu)體系的受力分析選擇出較為合理的結(jié)構(gòu)骨架;選取最適合本工程實(shí)際情況的人行走、跑步、跳躍激勵模型和舒適度評價標(biāo)準(zhǔn)，然后根據(jù)踏步板的相關(guān)方案進(jìn)行舒適度方面的計算。

一、結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)

軸線從兩個方向均挑出8.735m的距離，斜向平臺邊長為20.5m，從柱子外側(cè)形成了152.5m2的觀景平臺。

二、主要計算指標(biāo)

由于觀景平臺懸挑較多，觀景平臺的相對標(biāo)高較高，達(dá)到了177.8m，風(fēng)荷載比較大，風(fēng)荷載引起的吸力以位移較難滿足要求，因此采用了雙向交叉的桁架體系，上下弦利用42層、43層的水平橫梁，斜撐及桁架立柱均采用方鋼管300X30，材質(zhì)為Q345B。

鋼構(gòu)件的應(yīng)力比和恒+活載作用下的彈性撓度均滿足規(guī)范的要求，且有較大的富裕。

三、觀景平臺大懸挑部位舒適度分析

為了解觀景平臺的動力特性，采用改進(jìn)的Ritz向量法，通過模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)第7階模態(tài)的豎向振動模態(tài)占主要比例，通過模態(tài)計算可知第7階模態(tài)的自振周期是0.2875s，與人行荷載周期相差較多，基本不會引起共振。將時程曲線加載到模型在第7階模態(tài)反應(yīng)最劇烈的點(diǎn)后，通過時程分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)平臺整體應(yīng)力不大，平臺設(shè)計滿足舒適度的要求。

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》3.77條規(guī)定樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜的舒適度，樓蓋豎向頻率不宜小于3HZ。采用mIDAS-GEN軟件分析觀景平臺處大懸挑樓蓋豎向振動，且樓板均按開洞考慮，豎向振動頻率為3.48HZ，滿足舒適度要求。

四、觀景平臺構(gòu)件中震及大震等效彈性驗(yàn)算分析

（一）性能目標(biāo)

中震弦桿、腹桿均彈性、大震均不屈服。

（二）地震作用取值

（三）計算參數(shù)

（四）中震彈性驗(yàn)算結(jié)果

驗(yàn)算結(jié)果表明，中震作用下桁架各桿件的應(yīng)力比均小于1，滿足拉壓彈性要求。

（五）大震不屈服驗(yàn)算結(jié)果

驗(yàn)算結(jié)果表明，大震作用下桁架各桿件的應(yīng)力比均小于1，滿足拉壓不屈服要求，滿足預(yù)定的性能目標(biāo)。

五、結(jié)論

（1）對于觀景平臺，造型要求比較高，長懸臂結(jié)構(gòu)形式較為常見，經(jīng)過對比，上部拉纖方案往往影響觀景人員視野及平臺上部空間，而下支撐桁架方案能有效避免了此類問題，且支撐的存在更貼合建筑的特點(diǎn)，更易于同周邊環(huán)境融為一體，故在觀景平臺的項(xiàng)目中可優(yōu)先考慮此結(jié)構(gòu)方案。

（2）從計算的云圖結(jié)果可以看出，弦桿最大應(yīng)變出現(xiàn)在懸挑端，為0.6～1.0倍的材料屈服應(yīng)變，腹桿的最大應(yīng)變出現(xiàn)懸挑根部，為0.6～1.0倍的材料屈服應(yīng)變，均滿拉壓不屈服要求，即可滿足預(yù)定的性能水準(zhǔn)。

（3）通過模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)第7階模態(tài)的豎向振動模態(tài)占主要比例，通過模態(tài)計算可知第7階模態(tài)的自振周期是0.2875s，與人行荷載周期相差較多，基本不會引起共振。將時程曲線加載到模型在第7階模態(tài)反應(yīng)最劇烈的點(diǎn)后，通過時程分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)平臺整體應(yīng)力不大，平臺設(shè)計滿足舒適度的要求。用mIDAS-GEN軟件分析觀景平臺處大懸挑樓蓋豎向振動，且樓板均按開洞考慮，豎向振動頻率為3.48HZ，滿足舒適度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王樹，王明珠，張國軍，等.多層大懸挑鋼結(jié)構(gòu)體系靜力與抗震性能設(shè)計.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2012.

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[4]《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).

作者簡介：邢明黨（1981-），男，漢族，河南南陽人，碩士，高級工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)理論與計算。