高聳塔臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

金懷印

（上海民航新時(shí)代機(jī)場設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200335）

機(jī)場塔臺(tái)又稱為控制塔，是一種設(shè)置于機(jī)場中的航空運(yùn)輸管制設(shè)施，用來監(jiān)看及控制飛機(jī)起降的制高點(diǎn)。機(jī)坪塔臺(tái)主要采用以目視和視頻監(jiān)控為主的方式掌握地面運(yùn)行動(dòng)態(tài)，為了確保機(jī)坪管制工作安全，塔臺(tái)的建筑高度應(yīng)滿足其通視要求，塔臺(tái)筒身直徑相對較小，高寬比較大，故而塔臺(tái)建筑多為高聳建筑。塔臺(tái)主要功能為塔頂?shù)墓苤剖?、休息室及設(shè)備層。塔臺(tái)建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠性是保證機(jī)場航管系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，是保證震后救災(zāi)的基本條件。

本文針對高聳塔臺(tái)的建筑特征，提出了相應(yīng)的概念設(shè)計(jì)措施，結(jié)合某機(jī)場新建塔臺(tái)對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討，并基于性能化設(shè)計(jì)思想對不同設(shè)防水準(zhǔn)的地震作用下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析，可為同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

某國際機(jī)場空管塔臺(tái)為一棟單塔式建筑，塔臺(tái)地上建筑高度為97.65 m，地上共30層，地下1層。管制室、設(shè)備用房、機(jī)房、休息室、講評(píng)室等功能用房主要布置于26～30層，出于建筑立面造型及功能布置的需要，自第20層開始，各層樓面外環(huán)尺寸逐漸擴(kuò)大，形成“上大下小”塔臺(tái)整體立面特點(diǎn)。塔臺(tái)下部為鋼筋混凝土筒體，為圓形截面，直徑為10.50 m，筒體墻身厚度在4層及其以下為600 mm，5～18層為500 mm，18層以上為350 mm，筒體內(nèi)部墻體厚度為250 mm。塔臺(tái)管制層為頂部兩層，結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)，其它功能層為鋼筋混凝土筒體+鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。塔臺(tái)地下為一層地下室。

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 a，結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別高于重點(diǎn)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.1?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，基本地震加速度0.10g，地震分組為第一組，場地特征周期為0.65 s，場地類別為Ⅲ類[1-3]。本工程屬于細(xì)長圓形高聳結(jié)構(gòu)，對風(fēng)荷載較為敏感，基本風(fēng)壓取值適當(dāng)提高：0.90 kN/m2（100 a一遇），橫向風(fēng)振效應(yīng)顯著，需考慮橫風(fēng)向風(fēng)振，建筑場地近海，地面粗糙度A類，風(fēng)荷載體形系數(shù)取1.40，承載力設(shè)計(jì)時(shí)放大系數(shù)1.0，溫度作用取為±34℃,考慮不均勻升降溫[4-5]。

2 塔臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 結(jié)構(gòu)方案概念設(shè)計(jì)

由于塔臺(tái)建筑呈現(xiàn)出細(xì)長輕柔的特點(diǎn)，塔臺(tái)結(jié)構(gòu)宜采用抗側(cè)剛度大的結(jié)構(gòu)體系，本工程選用鋼筋混凝土剪力墻筒體結(jié)構(gòu)[6]。塔臺(tái)功能需要決定了功能層集中布置于筒體的上部，形成“上大下?。ㄉ现叵螺p）”不利于結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的建筑體型，需控制塔臺(tái)上部樓層體型及結(jié)構(gòu)重量。筒體上部功能層的外伸部分宜采用鋼框架結(jié)構(gòu)。

塔臺(tái)頂層指揮管控室需視野開闊、遮擋少，頂部管制層結(jié)構(gòu)體系宜采用鋼框架結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系由下至上逐漸變化，中下部為鋼筋混凝土單核心筒，上部功能層為框架核心筒，頂層為鋼框架，結(jié)構(gòu)頂部管制層較下部樓層質(zhì)量、剛度突變，鞭梢效應(yīng)顯著，為不利于結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)體系。管制層鋼框架柱在滿足提高后抗震性能指標(biāo)的前提下，安全余量不宜過大，且鋼框架柱與下部混凝土結(jié)構(gòu)宜采用剛性連接。管制層鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮鞭梢效用的放大系數(shù)。

塔臺(tái)因立面造型或建筑功能的需要，導(dǎo)致建筑立面中下部大尺度縮進(jìn)，豎向構(gòu)件不連續(xù)，筒體上部外挑部分豎向荷載無法向下直接傳遞，需使用轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)將豎向荷載沿水平方向傳遞，再由其它構(gòu)件向下傳遞。根據(jù)豎向荷載傳遞的方向，其傳遞路徑主要分三類：方案1是“向下傳遞→水平傳遞→向下傳遞”；方案2是“向下傳遞→斜向下傳遞→向下傳遞”；方案3是“向上傳遞→水平傳遞→向下傳遞”，如圖1所示。傳力方案1可采用水平挑梁作為水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件，該方案對于建筑外立面造型較為有利，但挑梁受到筒體內(nèi)部電梯井、樓梯間及管道井等限制，易于形成單臂懸挑的不利方案；傳力方案2可設(shè)置斜撐轉(zhuǎn)換構(gòu)件，該方案傳力方式合理可靠，但該方案易于對塔臺(tái)外立面形成不利影響；傳力方案3為水平轉(zhuǎn)換大梁+吊柱懸掛方案，該方案水平轉(zhuǎn)換大梁設(shè)置在筒體頂部，大梁下掛鋼柱，承擔(dān)下部筒體外擴(kuò)梁板，該方案具備方案1的優(yōu)點(diǎn)，且挑梁不受筒體內(nèi)平面的限制，但水平轉(zhuǎn)換大梁宜結(jié)合管制層結(jié)構(gòu)平面布置情況進(jìn)行設(shè)置，且需注意各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工順序（筒體→頂部梁板→懸掛鋼柱→下部外擴(kuò)梁板）。連接方案的選擇需根據(jù)各工程的實(shí)際條件予以選擇，鑒于本工程塔臺(tái)外立面造型為弧形漸變，功能層的下部設(shè)置斜柱支撐可在其外圍弧形幕墻之內(nèi)。本工程選擇斜柱支撐方案，為了避免樓層剛度突變，可結(jié)合墻體厚度變化沿豎向多個(gè)樓層設(shè)置斜柱支撐。

圖1 筒體轉(zhuǎn)換構(gòu)件傳力方案

塔臺(tái)高聳細(xì)長及上重下輕的特點(diǎn)對結(jié)構(gòu)整體抗傾覆穩(wěn)定性不利，基礎(chǔ)底面易于出現(xiàn)零應(yīng)力區(qū)或零應(yīng)力區(qū)易于超出15%的規(guī)范限值?？刹捎萌缦赂拍钤O(shè)計(jì)措施提高結(jié)構(gòu)整體抗傾覆穩(wěn)定性：首先，設(shè)置擴(kuò)大尺寸的地下室（地下室外墻相對于筒體外擴(kuò)），保證基礎(chǔ)埋深，提高其抗傾覆穩(wěn)定性；其次，設(shè)置壓重、抗拔樁或抗拔錨桿，滿足由于整體傾覆力矩或水浮力所引起的基礎(chǔ)抗拔要求；然后，在擴(kuò)大平面地下室外墻與塔身筒體之間布置徑向鋼筋混凝土墻體，加強(qiáng)地下室部分的整體性和剛度，協(xié)調(diào)地下室筒體部分與外擴(kuò)部分受力及變形，并保證地下室剛度滿足上部結(jié)構(gòu)嵌固要求。

2.2 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223-2008）規(guī)定航管樓的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于重點(diǎn)設(shè)防類，較2004版規(guī)定的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)有所提高，但未達(dá)到特殊設(shè)防類的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，且具體提高程度未作具體說明，致使航管類建筑（含塔臺(tái)）的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)有些模糊，導(dǎo)致航管類建筑（含塔臺(tái)）結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)無據(jù)可依。

航管樓（含塔臺(tái)）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在考慮保證人身安全的基礎(chǔ)上,還要考慮結(jié)構(gòu)震后使用功能的延續(xù)，保證通信設(shè)施和網(wǎng)控設(shè)備等在地震后仍正常運(yùn)行，保證抗震救災(zāi)的順利進(jìn)行。經(jīng)咨詢規(guī)范編制組相關(guān)專家意見，建議航管類建筑（含塔臺(tái)）除按照乙類建筑設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)外，尚應(yīng)采取措施提高結(jié)構(gòu)抗倒塌變形能力，確保結(jié)構(gòu)具有合理的破壞機(jī)制和變形能力、良好的結(jié)構(gòu)延性，使其在不同設(shè)防水準(zhǔn)的地震作用下,結(jié)構(gòu)具有不同的性能水平。

2.3 結(jié)構(gòu)超限狀況

本工程結(jié)構(gòu)高度為97.65 m，屬A級(jí)高度的高層建筑。塔臺(tái)結(jié)構(gòu)屬于超限建筑，存在如下不規(guī)則項(xiàng)：首先，結(jié)構(gòu)體系由下至上逐漸變化，中下部為鋼筋混凝土單核心筒，上部功能層為框架核心筒，頂層為鋼框架，為超出現(xiàn)行規(guī)范（程）規(guī)定的混合結(jié)構(gòu)，為特殊類型高層建筑超限；其次，因建筑功能的需要，豎向構(gòu)件不連續(xù)，局部多個(gè)樓層存在豎向抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力由轉(zhuǎn)換斜撐向下傳遞，屬于豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，豎向不規(guī)則超限；然后，頂層管制層存在斜柱，為局部不規(guī)則；最后，塔臺(tái)因?yàn)槭歉呗柤?xì)長筒體結(jié)構(gòu)，高寬比超出了《高規(guī)》[7]3.3.2條的規(guī)定限值，底部零應(yīng)力區(qū)易于超出規(guī)范限值。

2.4 抗震性能目標(biāo)

基于航管類建筑（含塔臺(tái)）結(jié)構(gòu)的功能與重要性、結(jié)構(gòu)類型和規(guī)則性、抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等方面的特殊要求，塔臺(tái)適于采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法。綜合考慮塔臺(tái)結(jié)構(gòu)建造費(fèi)用、震后損失與修復(fù)難易程度、社會(huì)效益等諸多因素，塔臺(tái)結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)等級(jí)的選用宜偏于安全，適宜選用B級(jí)。按照《高規(guī)》[7]3.11.1條所規(guī)定的四級(jí)結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)及五個(gè)結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)，B級(jí)抗震性能目標(biāo)在指定地震地面運(yùn)動(dòng)下的結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)如下：在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)1，即結(jié)構(gòu)滿足彈性設(shè)計(jì)要求；在設(shè)防烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)2，即關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件正截面和斜截面均滿足彈性設(shè)計(jì)要求，耗能構(gòu)件斜截面滿足彈性設(shè)計(jì)要求，正截面滿足不屈服設(shè)計(jì)要求；在預(yù)估的罕遇地震作用情況下，結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)3，結(jié)構(gòu)僅有輕度損壞，即關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件需滿足正截面不屈服和斜截面彈性設(shè)計(jì)要求，耗能構(gòu)件斜截面不屈服設(shè)計(jì)要求。

塔臺(tái)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件主要包括底部加強(qiáng)部位筒體剪力墻、水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件、斜柱支撐及其相對應(yīng)的筒體剪力墻。普通豎向構(gòu)件為非關(guān)鍵構(gòu)件的筒身剪力墻及上部功能層的框架柱；耗能構(gòu)件為連梁或框架梁。

本工程采用鋼筋混凝土筒體結(jié)構(gòu)體系，依據(jù)《高規(guī)》[7]3.9.3條規(guī)定，塔臺(tái)剪力墻、連梁、框架柱、框架梁抗震等級(jí)為一級(jí)。地下室結(jié)構(gòu)的等效剪切剛度大于相鄰上部樓層等效剪切剛度的1.5倍，可以將地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固端，依據(jù)《高規(guī)》[7]3.9.3條規(guī)定，地下一層結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)同上部結(jié)構(gòu)。依據(jù)抗震性能化設(shè)計(jì)思想，塔臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件抗震等級(jí)提高至特一級(jí)。

2.5 塔臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議

（1）頂部管制層鞭梢效應(yīng)顯著，管制層鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮鞭梢效用的放大系數(shù)，所以建議放大系數(shù)取1.5。

（2）塔臺(tái)功能層筒體外擴(kuò)部分豎向抗側(cè)力構(gòu)件的內(nèi)力向下傳遞方案可采用筒體內(nèi)部梁外挑、筒體外圍設(shè)置斜柱支撐或懸掛結(jié)構(gòu)等方式，建議結(jié)合塔臺(tái)建筑平面布置及里面造型予以選用。

（3）塔臺(tái)抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于重點(diǎn)設(shè)防類，建議按照乙類計(jì)算地震作用，將塔臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件（底部加強(qiáng)部位筒體剪力墻、轉(zhuǎn)換構(gòu)件）的抗震等級(jí)提高一級(jí)，已為特一級(jí)不再提高。

（4）高聳塔臺(tái)地下室建議采用外擴(kuò)地下室結(jié)構(gòu)平面，并結(jié)合回填土壓重及抗拔樁或抗拔錨桿的設(shè)計(jì)，提高整體結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力及抗浮性能。

（5）建議采用抗震性能化設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)等級(jí)的選用宜偏于安全，建議選用B級(jí)。

（6）塔臺(tái)筒體底部存在拉應(yīng)力，當(dāng)提高墻體配筋率后，筒身墻體正截面承載力、斜截面承載力以及裂縫如仍不能滿足規(guī)范要求，可在墻身內(nèi)部沿環(huán)向設(shè)置型鋼承擔(dān)拉力。

（7）高聳塔臺(tái)總高度大于24 m時(shí)，底部加強(qiáng)部位的高度建議取底部三層和墻體總高度的1/8二者的較大值。

（8）非底部加強(qiáng)部位軸壓比大于0.2的墻肢均設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；適當(dāng)加大筒身墻體邊緣構(gòu)件配箍特征值，保證邊緣構(gòu)件縱筋每筋必拉，提高邊緣構(gòu)件混凝土受約束程度。

（9）適度增加與轉(zhuǎn)換構(gòu)件相連接的筒體剪力墻水平及豎向分布筋的配筋率,以提高結(jié)構(gòu)的延性。

3 地下室及地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

本工程建筑地基基礎(chǔ)及樁基設(shè)計(jì)等級(jí)均為甲級(jí)。根據(jù)地勘報(bào)告及整體計(jì)算分析結(jié)果，本工程采用樁筏基礎(chǔ)，選用樁徑為800 mm的鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，有效樁長50 m，樁端持力層為全風(fēng)化花崗巖，單樁抗壓承載力特征值為4 000 kN，抗拔承載力特征值為1 300 kN。

塔臺(tái)地下室可采用三種方案進(jìn)行對比選擇，方案一為上部筒體下沉，平面不擴(kuò)大，筒體外圍沿徑向設(shè)置加勁肋，方案二、三采用擴(kuò)大地下室平面方案，塔臺(tái)筒體與擴(kuò)大地下室外墻之間設(shè)置徑向墻體連接，方案二為環(huán)形外擴(kuò)地下室結(jié)構(gòu)平面，方案三為矩形外擴(kuò)地下室結(jié)構(gòu)平面，如圖2所示。

兩地下室結(jié)構(gòu)平面布置方案抗傾覆及基底零應(yīng)力區(qū)整體計(jì)算結(jié)果如表1所列，計(jì)算結(jié)果表明，擴(kuò)大地下室平面方案結(jié)構(gòu)整體抗傾覆能力得到顯著提升，基底零應(yīng)力區(qū)顯著減少。矩形外擴(kuò)地下室結(jié)構(gòu)平面抗傾覆能力優(yōu)于等徑向尺寸的環(huán)形外擴(kuò)地下室平面方案。地下室空腔中設(shè)置回填土壓重可進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)抗傾覆性能，并降低基底零應(yīng)力區(qū)。因此，本工程地下室平面方案宜選擇矩形外擴(kuò)地下室結(jié)構(gòu)平面。

表1 塔臺(tái)整體抗傾覆能力及基底零應(yīng)力區(qū)

樁基基礎(chǔ)計(jì)算分析分別考慮風(fēng)荷載、小震、中震、大震等計(jì)算工況，依據(jù)各工況下塔身筒體底部豎向反力確定樁基平面布置，筒體內(nèi)部塔身底部拉壓荷載相對筒體外部較小，故而為了保證樁承載率及樁沉降較為均勻，筒體內(nèi)部樁基數(shù)量可適當(dāng)減少。樁基平面布置如圖2所示。

由于項(xiàng)目所在地地下水位較高，地下室抗浮設(shè)計(jì)成為影響結(jié)構(gòu)安全的重要問題，本工程地下室需進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。抗浮設(shè)防水位宜取地下室自施工期間至全使用壽命期間可能遇到的最高水位，依據(jù)地勘報(bào)告，抗浮水位取-0.5 m。抗浮措施采取“壓”和“拉”相結(jié)合的方法抵抗水浮力，“壓”即為在地下室擴(kuò)大平面空腔中填充回填土增加配重，如圖2中陰影填充區(qū)域所示，“拉”為設(shè)置抗拔樁。

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圖2 地下室結(jié)構(gòu)平面布置方案

按照中震彈性計(jì)算及大震彈塑性計(jì)算的底部彎矩設(shè)計(jì)值復(fù)核樁筏基礎(chǔ)的安全性，單樁最大承壓及抗拔均滿足受力要求。

為了滿足樁基沖切以及有效傳遞和平衡水浮力，基礎(chǔ)底板需具有一定的結(jié)構(gòu)剛度，并滿足強(qiáng)度、裂縫寬度要求，筏板厚度計(jì)算確定為1.5 m。

4 上部結(jié)構(gòu)性能分析

本工程抗震性能化設(shè)計(jì)計(jì)算軟件采用PKPM2010（V5.2）。

4.1 小震及風(fēng)載作用下結(jié)構(gòu)性能分析

采用振型分解反應(yīng)譜法（CQC法）計(jì)算多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，各振型貢獻(xiàn)按CQC法組合，管制層鋼框架地震作用放大1.5倍。計(jì)算模型取消強(qiáng)制剛性板假定，真實(shí)考慮樓板剛度。地震作用效應(yīng)的計(jì)算，同時(shí)考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的雙向地震作用及單向地震作用下5%的偶然偏心。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及主要控制參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2與表3所列?？芍海?）結(jié)構(gòu)前四階振型均為平動(dòng)振型，扭轉(zhuǎn)周期與第一平動(dòng)周期比值為0.23，滿足規(guī)范限值；（2）振型數(shù)的取值滿足振型參與的有效質(zhì)量大于總質(zhì)量的90%的要求；（3）考慮偶然偏心的規(guī)定水平力作用下的各樓層最大扭轉(zhuǎn)位移比遠(yuǎn)小于1.20，表明結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯，結(jié)構(gòu)平面布置較為規(guī)則，具有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度；（4）小震作用下的各樓層層間位移均小于規(guī)范限值1/1000（剪力墻筒體）、1/800（框筒）、1/250（鋼框架），表明結(jié)構(gòu)具有足夠的側(cè)向剛度；（5）各樓層最小剪重比（樓層的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力與其以上各層總重力荷載代表值的比值）滿足現(xiàn)行《高規(guī)》[7]4.3.12樓層最小地震剪力系數(shù)值的要求，表明CQC法計(jì)算所得水平地震作用下各樓層地震剪力分布較為合理，無需對地震內(nèi)力進(jìn)行放大；（6）各樓層的上下層剛度比及受剪承載力之比表明，結(jié)構(gòu)豎向不存在軟弱層或薄弱層；（7）在10 a一遇的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)風(fēng)振加速度小于0.25 m/s2，滿足舒適度要求。綜上所述，多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)滿足抗震性能水準(zhǔn)1的設(shè)計(jì)要求，程結(jié)構(gòu)體系的選擇及結(jié)構(gòu)布置合理。

表2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

表3 主要結(jié)構(gòu)整體計(jì)算指標(biāo)

4.2 中震作用下結(jié)構(gòu)性能分析

基于承載力的結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)中，設(shè)防烈度作用下結(jié)構(gòu)計(jì)算常采用彈性CQC法，并按不屈服和彈性分別計(jì)算。設(shè)防烈度地震作用下，塔臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件和普通豎向構(gòu)件正截面和斜截面均滿足彈性設(shè)計(jì)要求，耗能構(gòu)件斜截面滿足彈性設(shè)計(jì)要求。中震分析需注意以下幾點(diǎn)：（1）地震影響系數(shù)最大值按中震（2.8倍小震）取值，為0.23；（2）取消內(nèi)力組合調(diào)整（墻柱弱梁調(diào)整、強(qiáng)剪弱彎調(diào)整）；（3）中震不屈服分析時(shí)，構(gòu)件內(nèi)力不需要考慮分項(xiàng)系數(shù)（即靜力和水平地震分項(xiàng)系數(shù)取1.0，豎向地震分項(xiàng)系數(shù)取0.4）、材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值、抗震承載力調(diào)整系數(shù)取1.0。中震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/650（剪力墻）、1/525（框筒）、1/186（鋼框架），均小于規(guī)范限值1/500（剪力墻筒體）、1/400（框筒）、1/200（鋼框架）。

塔臺(tái)筒身墻體、框架柱、水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件在中震彈性工況下未出現(xiàn)抗剪超筋及抗彎超筋信息，說明塔臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件及普通豎向構(gòu)件出于中震抗剪、抗彎彈性，滿足本工程設(shè)定的性能2水準(zhǔn)。筒身部分外圍墻體1～5層出現(xiàn)拉應(yīng)力，適當(dāng)提高墻體配筋率后，墻體裂縫仍超出規(guī)范限值，可在墻身內(nèi)部沿環(huán)向設(shè)置型鋼形成型鋼混凝土剪力墻，并控制全截面拉應(yīng)力不超過兩倍混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值[1]。

框架梁在中震不屈服工況下未出現(xiàn)抗剪超筋信息，僅少量框架梁出現(xiàn)抗彎超筋信息，說明框架梁處于中震抗剪彈性，少量框架梁抗彎不屈服的狀態(tài)，耗能構(gòu)件框架梁的抗震性能滿足本工程設(shè)定的抗震性能水準(zhǔn)。連梁在中震不屈服工況下未出現(xiàn)抗彎、抗剪超筋信息，說明連梁處于中震抗彎、抗剪彈性，連梁的抗震性能高于本工程設(shè)定的抗震性能水準(zhǔn)2。

4.3 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

結(jié)構(gòu)彈塑性分析可計(jì)算結(jié)構(gòu)在大震作用下是否滿足規(guī)范規(guī)定的層間位移角的限值；亦可判斷結(jié)構(gòu)的薄弱層和薄弱構(gòu)件所在位置，對重要的構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，以保證大震作用下抗震性能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。鑒于本工程抗震設(shè)防類別高于乙類，且具有超限特性，對其進(jìn)行彈塑性分析[3]。

本工程大震作用下動(dòng)力彈塑性時(shí)程剪力及位移計(jì)算結(jié)果如表4所列。動(dòng)力彈塑性分析軟件采用EPDA，依據(jù)地震波選取原則[3]，選取2組天然波與1組人工波，地震波的輸入均采用三向輸入，X方向作為主方向，Y、Z方向則為次方向，主方向和次方向輸入地震的峰值按1∶0.85∶0.65進(jìn)行控制，地震波持續(xù)時(shí)間為20 s，滿足大于結(jié)構(gòu)自振周期5倍的要求，地震波加速度峰值取220 gal。

表4 大震彈塑性時(shí)程分析剪力及位移計(jì)算結(jié)果

計(jì)算模型考慮P-Δ效應(yīng)（塔臺(tái)屬于高聳建筑，具有“高、柔”特性），梁、柱、斜撐采用纖維束模擬。從表4可知：1）大震彈塑性基底剪力與小震基底剪力的比值處于3～5的合理區(qū)間；2）大震作用下，結(jié)構(gòu)豎立不倒，結(jié)構(gòu)層間位移角滿足小于1/120（筒體）、1/100（框筒）及1/50（鋼框架）的抗震性能目標(biāo)；3）大震作用下，筒體總體應(yīng)力水平較低，基本處于彈性狀態(tài)，部分框架梁端出現(xiàn)塑性鉸，但未發(fā)生嚴(yán)重破壞。

總體而言，結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性反應(yīng)及破壞機(jī)制，符合結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)要求，筒體、框架柱、框架梁及轉(zhuǎn)換構(gòu)件均滿足大震性能目標(biāo)要求。

5 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

5.1 管制室鋼柱柱底節(jié)點(diǎn)

塔臺(tái)頂部管制室樓層工藝要求采用鋼框架結(jié)構(gòu)，框架柱為斜鋼柱，鋼柱傾斜角度應(yīng)與管制員的視線垂直，約為傾斜15°。鋼柱支撐鋼屋蓋或鋼結(jié)構(gòu)樓板，并將荷載向下傳遞至筒體墻身。當(dāng)柱腳與筒體墻身距離較近時(shí)，可在筒體外部設(shè)置鋼筋混凝土牛腿支撐斜鋼柱，如圖3（節(jié)點(diǎn)詳圖1）所示；當(dāng)柱腳與筒體墻身距離較遠(yuǎn)時(shí)，可設(shè)置鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁支撐斜鋼柱，如圖3（節(jié)點(diǎn)詳圖2）所示。鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁抗震等級(jí)提高一級(jí)，箍筋全長加密。本工程采用牛腿支撐方案，鑒于牛腿底部會(huì)對筒體產(chǎn)生較大的面外壓力，在此處的筒體墻身內(nèi)設(shè)置構(gòu)造加強(qiáng)鋼骨暗梁。

圖3 管制室鋼柱柱腳節(jié)點(diǎn)

5.2 斜柱支撐與筒體連接節(jié)點(diǎn)

塔臺(tái)功能層筒體外擴(kuò)部分豎向荷載通過斜柱支撐傳遞至筒體，斜柱支撐為關(guān)鍵構(gòu)件，其抗震等級(jí)宜提高一級(jí)，斜柱支撐宜采用十字型鋼骨混凝土斜柱[8]，鋼骨混凝土斜柱頂部支撐上部豎向鋼柱，樓面標(biāo)高處于通過水平鋼梁于筒體墻身連接，底部立于筒體沿環(huán)向均勻布置的徑向三角形牛腿之上。斜柱支撐將上部豎向荷載傳遞至筒體時(shí)，斜柱支撐底部會(huì)對筒體產(chǎn)生較大的面外壓力，斜柱支撐與豎向鋼柱交接處水平鋼梁對筒體產(chǎn)生較大的面外拉力，故在此兩處的筒體墻身內(nèi)設(shè)置構(gòu)造加強(qiáng)鋼骨暗梁。中間與斜柱支撐相連的水平鋼梁對筒體墻身的面外拉壓荷載相對較小[8-9]，可不設(shè)置加強(qiáng)鋼骨暗梁，僅設(shè)置鋼筋混凝土暗梁，鋼梁與筒體墻身之間可采用對拉螺桿連接。如圖4所示。

圖4 外擴(kuò)平面與筒體連接節(jié)點(diǎn)

6 結(jié)語

基于國內(nèi)某國際機(jī)場新建塔臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)例，對高聳塔臺(tái)結(jié)構(gòu)體系的選擇、轉(zhuǎn)換構(gòu)件的設(shè)置、地下室及基礎(chǔ)方案的確定等概念設(shè)計(jì)應(yīng)對措施進(jìn)行了探討，對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、超限狀況及抗震性能目標(biāo)進(jìn)行了分析，并基于性能化設(shè)計(jì)思想對塔臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同設(shè)防地震作用下的抗震性能分析，給出了塔臺(tái)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)建議方案。本文給出了高聳塔臺(tái)類建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議，可為同類項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。