某框架結構屋頂加建鐵塔后地震響應分析

董 羽，裴忠慶，李敬明（天津大學建筑設計規劃研究總院有限公司， 天津 300000）

隨著通信事業的發展，建筑屋頂加建鐵塔，在工程中越來越常見。由于鐵塔與主體結構為兩種不同的結構體系，設計時，若簡單的將鐵塔荷載加在主體結構上進行計算，兩種結構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，得出了鐵塔對于主體結構影響的量化后的數據。這將為今后此類工程建設、既有工程加固改造等，提供參考性的依據。

1 工程概況

本工程為河北省某交警業務技術用房，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。當地抗震設防烈度為 7 度（0.10g）。結構方案為：主體部分采用鋼筋混凝土框架結構，辦事大廳部分采用鋼框架結構，二者之間設置抗震縫一道；框架抗震等級為二級。

該工程施工至第 5 層時，根據甲方要求，需要在樓頂加設 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整結構布置，對已施工部分進行復核，并對薄弱部位進行加固。

2 屋頂結構方案

加建鐵塔共分為 5 節，總高度為 30 m，采用鋼結構桿系體系，其橫斷面為正方形，底部則由 4 個塔腿與主結構連接。整座鐵塔的桿件均為角鋼，結構模型如圖 1 所示。

圖1 鐵塔結構模型

原建筑裝飾層沿建筑屋頂四周設有一圈裝飾坡屋面，其外檐頂部高出屋面 6.5 m，坡屋面內部為中空，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，只能把鐵塔設于消防水箱間之上。由于消防水箱間屋頂低于外檐，故須設 2.5 m 高的支墩，作為鐵塔的基座。加設鐵塔前，原裝飾層結構局部平面圖如圖 2 所示，其中消防水箱間區域為圖中陰影部分。

圖2 裝飾層結構平面圖（局部）

考慮支墩尺寸較大（1.2 m×1.2 m），且難以與原有結構柱相貫通，故采用梁上起柱轉換方案，來實現鐵塔與主體結構的連接。與支墩相連的轉換結構構件，框架梁截面尺寸為 600 mm×800 mm，節點處采用水平加腋的形式，“抱住”支墩，以保證支墩鋼筋的錨固。加設鐵塔后，裝飾層結構局部平面圖變化如圖 3 所示。

圖3 支墩轉換結構方案

3 結構計算

對于鐵塔而言，地震作用經過主體結構的“放大”后，使得鐵塔的地震響應比鐵塔單獨計算所得的地震響應更加劇烈；對于主體結構而言，鐵塔的“鞭梢效應”將加大與之相連結構構件的地震內力，同時對主體結構可能會有一定影響。故應將鐵塔與主體結構按實際模型建模協同計算。本工程鐵塔由第三方進行設計，故重點討論對主體結構（圖 4）的影響。

圖4 鐵塔與主體結構整體模型

為充分考慮鐵塔對主體結構影響，采用振型分解反應譜法進行結構設計，并采用彈性時程分析法進行復核。

4 結果分析

根據振型分解反應譜法計算結果，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，鐵塔對于整體結構的地震響應影響有限；但同時，裝飾層及屋頂層的結構構件內力變化較大，尤其是水箱間區域及屋頂層相關構件，地震內力及配筋大幅增加。彈性時程分析采用 1 條人工波及 2 條天然波進行計算（表 3）。

表3 彈性時程分析選用的地震波 單位：s

3 組時程曲線的平均地震影響系數曲線與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符；彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力不低于振型分解反應譜法計算結果的 65%，且≤135%；3 組時程曲線計算所得地震剪力平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的 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 條地震波計算結果的包絡值與振型分解反應譜法的計算結果對比見表 4。

表4 兩種方法樓層剪力結果對比

由表 4 計算結果看出，彈性時程分析計算得到的各樓層地震剪力均小于振型分解反應譜法的樓層地震剪力。因此，可直接采用振型分解反應譜法的計算結果進行設計。

5 加強措施

計算結果表明，水箱間區域及屋頂相關構件受力較為不利，且鐵塔與主體結構連接處較為薄弱，除按振型分解反應譜法計算結果加強配筋外，尚應采取構造措施保證連接節點及相關結構的可靠性。采取的結構措施如下。

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

（2）水箱間頂板板厚加厚至 150 mm，并雙層雙向通長配筋。

（3）柱墩頂部設置聯系梁，以加強支墩的整體性。

（4）柱墩采用多肢復核箍筋，并全高加密；所有柱筋錨至屋面框架梁底。

（5）柱墩下轉換梁箍筋全長加密。

6 結語

本文以河北省某交警業務用房為例，針對于屋頂加建鐵塔的情形，分別采用振型分解反應譜法及彈性時程分析法，探討鐵塔對主體結構的影響，并對關鍵節點采取了加強措施，以保證鐵塔與主體結構連接的可靠性。通過以上分析，可以得出以下結論。

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

（2）采用彈性時程分析方法進行驗證，加建鐵塔后，各層地震剪力均小于振型分解反應譜法的計算結果。

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

（4）鐵塔與主體結構的連接應在設計中著重考慮，加強構造措施，以保證連接的可靠性。