某超高層建筑頂部大型桅桿的更換設計

張 波，閆舒茂

(煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030001)

1 工程概況

本建筑位于山西省太原市，地上37層(包含3層裙房)，建筑總高度140.30 m。建筑主體于1995年開始設計施工，已建成近30年。本建筑34層及以下為鋼筋混凝土框架-筒體結構，35層～37層的鋼框架結構逐層斜向收縮為三角形尖頂，140 m之上有57 m高用于造型的大型桅桿。桅桿生根于35層地面，該層層高4.4 m，建筑地面標高126.76 m；本工程抗震設防烈度8度；設計基本地震加速度值0.20g；設計地震分組為第二組，設計風壓0.44 kN/m2。因年代久遠，桅桿和下部三層鋼結構銹蝕嚴重，局部還存在肉眼可見的變形。業主為排除安全隱患，要求對桅桿進行拆除更換，并對三層鋼框架結構采取相應的加固改造措施。

2 結構整體分析

本工程首先要考慮鞭梢效應，不能只頭疼醫頭，故需對整樓建模分析；加之超高層頂部桅桿的特殊性，本工程使用YJK與SAP2000進行數值仿真模擬分析，如圖1所示。

2.1 結構頂點位移分析

本文通過對實際工程一比一還原，以及實際荷載的布置，YJK,SAP2000計算后得到不同工況下的結構位移，EX,EY為X向,Y向地震工況，WX,WY為X向,Y向風工況，結果分別如圖2,圖3所示。

二者結構頂點位移對比結果如表1所示。

表1 頂點位移對比

由表1可以得出在不同工況下，兩種軟件數值模擬得到的頂點位移結果相對誤差較小，具有較高的擬合度，且位移最大為1/330，滿足規范1/250要求。

2.2 單個桿件內力分析

本文對結構單只桿件在兩種不同模型中的內力也進行了對比，選取4根靠近上部的桿件的內力進行分析，豎桿示意圖如圖4所示。

選取4根上部豎桿內力對比分析，分析結果如表2所示。

表2 豎桿上內力對比

2.3 周期對比分析

對結構在兩種不同模型中的周期進行對比，YJK與SAP2000結果分別如圖5，圖6所示。

對上述兩種軟件得到的周期結果，選取前6個模態進行分析，對比兩者相對誤差，結果如表3所示。

表3 周期對比

2.4 小結

對比兩個軟件的數據可知，結構周期最大相對誤差為4.1%；單個桿件在地震作用下內力值最大相對誤差為4.9%，在風荷載作用下內力最大相對誤差為0.5%；頂點位移在不同工況下最大相對誤差為3.8%。對比不同軟件分析結果發現，無論是對于地震作用起主控荷載作用的情況，還是風荷載起主控作用的情況，兩種模型頂點計算結果相差不大，兩個軟件相互驗證，可以認為整體計算能夠真實地反映實際受力情況。并且可以認為桅桿結構及下部支撐具有較大的剛度與理想的穩定性。

3 結構連接

本工程頂部處于140 m左右的高空，為三角形尖頂，沒有施工平臺；業主要求施工過程不能中斷下部的使用功能。再加上高空焊接存在場地狹窄、高空風速大等問題，導致現場施工難度很大。所以在設計之初就必須結合施工考慮各種實際困難：桅桿采用不銹鋼材質，已有三層鋼結構是碳素鋼，兩者連接存在困難；無法吊裝，只能通過大樓內的電梯運送不超過2.8 m長的桿件。

3.1 不同材質的雙法蘭連接

本工程采用一種雙材料法蘭盤桅桿連接裝置，既可以協調不銹鋼和碳素鋼的焊接強度問題，又可以有效減少焊接工作量，從制作、運輸、安裝整個施工過程來說更為方便、快捷、安全[1-4]。雙材料法蘭盤桅桿連接裝置構造如圖7所示。

圖7(a)中1為上法蘭連接盤、2為下法蘭連接盤。上部法蘭連接盤選擇與上部結構相同的不銹鋼材質，均為S22053(022Cr23Ni5Mo3N)；下部法蘭連接盤選取與下部結構相同的Q235材質。上、下法蘭連接盤通過高強螺栓連接在一起。

3.2 空中拼接連接

本工程考慮運輸的問題，最長桿件不超過2.8 m；將桿件運輸到35層，在樓內進行焊接成節后，采用滑輪組吊裝至空中后采用法蘭組裝安裝，盡可能避免高空焊接，如圖8所示。

4 鋼框架加固改造

該建筑頂部三層鋼框架與桅桿相連，但這三層鋼結構已不能滿足現行規范的安全要求；且鋼構件存在一定程度的銹蝕致使鋼構件截面削弱承載力降低、表面防火層剝落、個別鋼柱出現變形等影響該建筑正常使用的因素。故首先要對其進行鑒定加固。本工程采用增加支撐改變其傳力路徑，并加大已有支撐截面，管內灌注高強度混凝土等多種方式加強結構，如圖9所示。

5 結語

本文在分析國內外相關文獻的前提下，結合實際案例介紹了超高層頂部更換大型桅桿的特殊要求，并提出了注意事項和相應的解決方案。希望本文對越來越多的同類工程的設計和項目管理能提供幫助。