第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 安徽广电新中心屋顶发射塔设计 邱仓虎李毅詹永勤 （中国建筑科学研究院，北京100013） 摘要：本工程主要介绍了钢筋混凝土超高层结构屋顶放置钢结构发射塔结构设计，钢筋混凝土主楼高238m， 钢结构发射塔高63m，发射塔与主楼动力特性差异较大，地震工况下，钢结构发射塔会有明显的鞭梢效应，本文 将钢结构发射塔钢塔置于地上（单独模型）和钢塔置于主楼结构屋顶（整体模型）分别进行时程分析，分析结果 表明，整体模型比钢塔模型杆件的地震力放大5-14倍不等.
最终钢塔结构地震力采用钢塔单独计算地震力的15 倍进行设计.
关键词：钢结构发射塔：动力特性：鞭梢效应：时程分析 近年来，随着我国经济发展，我国新建的高层、超高层建筑越来越多，同时一些高层建筑上作为装饰 的轻钢屋顶或作为功能需要的钢结构塔（如通信发射塔），一般这些钢结构都是置于高层建筑的顶上.
大 量的震害表明，当此类钢结构置于高层建筑顶时，钢结构会发生剧烈震动并产生损坏，当主楼高度较高， 这种效应会更加明显，有时候地震作用会比放置在地上放大十几倍，如果设计考虑不当，屋顶的钢结构会 出现安全问题.
1工程概况 本项目为安徽广播电视新中心一期的东区部分，主要建筑功能为广播及电视节目制作、播出和工作人 员办公等：由地上主楼，地上附楼、地下室三个部分组成.
地上主楼四十八层.
总高度：238米，为超B 级高层建筑.
建筑结构安全等级为一级，抗震设防类别为乙类.
工程抗震设防烈度为7度，基本地震加速 度为0.1g，设计地震分组为第一组，场地类别为1I类.
安徽广电中心主楼高238m，主楼采用钢筋混凝土 结构，主体结构体系采用框架-核心筒，框架柱采用型钢混凝土柱，屋顶放置了一个约63m高的钢结构发 射塔.
图1建筑效果图 图2发射塔三维图 作者简介：邱仓虎（1962-），男，教授级高级工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 2结构设计 钢结构放射塔平面形状为四边形，底部宽度介于7.061m~10.710m之间，钢塔高约63m，柱脚较接，钢 塔主要由五段构成，第1段为柱脚开始线性缩到6mX6m平面，高度为10m：第2段为6mX6m平面线性缩到 2.1mX2.1m，高度为13.8m：第3段为2.1mX2.1m的直段，高度为17.5m：第4段为2.1mX2.1m平面线性缩 放到750mmX750mm，高度为4m：第5段为750mmX750mm的直段，高度为17.7m.
钢塔主要构件采用圆钢管， 主要构件尺寸如下表所示： 表1主要杆件截面（mm） 名称 台酉 材质 备注 GZ1 P299X10 Q235B 无缝管 G22 P219X8 Q235B 无缝管 GZ3 P168X8 Q235B 无缝管 GZ4 P140X6 Q235B 无缝管 FG1 P140X4 Q235B 直缝焊管 FG2 P114X4 Q235B 直缝焊管 FG3 P76X4 Q235B 直缝焊管 P60X4 Q235B 直缝焊管 发射塔设计时考虑荷载工况有：恒荷载，风荷载，地震荷载，温度荷载，裹冰荷载，根据建筑结构荷 载规范和高耸结构设计规范要求进行组合设计.
其中恒荷载包括结构自重、单偶极板天线系统、UHF天线 系统，直径2m微波天线和直径3.2m的微波天线的荷载，风荷载基本风压g=0.4KN/m2，计算时取8个方 向，分别为0度，90度，180度，270度，45度，135度，225度，315度，温度荷载考虑正负30度的温 差，覆冰厚度考虑10mm.
建造在高楼顶的钢塔和直接放置在地面的钢塔在地震作用下的受力性能有很大的不同，由于钢塔放置 在高层建筑顶上后，塔和主楼的楼顶处的刚度、质量均发生突变，会产生明显的鞭梢效应，当主楼高度越 高，主楼和钢塔质量和刚度差异越大，这种效应会更加明显.
对于这种屋顶放置钢塔的结构，由于主体结构为钢筋混凝土结构，发射塔为钢结构，两者刚度和质量 差异较大，当主楼受到地震作用时，钢塔会受到主楼放大后的地震作用，钢塔会产生明显的“鞭梢效应”.
目前我国对此并没有专门的设计规范，在抗震规范5.2.4规定，采用底部剪力法时，突出屋面的屋顶间， 女儿墙、烟肉等地震作用效应，宜乘以增大系数3.
但本工程主体结构较高，受高振型影响较大，采用底 部剪力法明显不合适，突出屋顶的小钢塔在质量、刚度等方面，都与主楼相差甚远，钢塔的自振频率和地 面运动的干扰频率相等或相近时，即产生鞭梢效应.
这里可以借助抗震规范对于突出屋面的屋顶间的设计 思路，由于建筑屋顶地震响应的鞭梢效应，是建筑物的高阶振型影响造成的，所以可以将钢塔作为主体结 构的一部分进行整体分析.
3主体结构和发射塔结构分析 采用有限元软件对这种屋顶带塔的结构整体建模分析是一个较为精确的方法.
由于本工程主体结构高 达238m，钢塔也高度也较高（63m），所以设计时采用有限元软件进行整体建模分析.
为了方便设计，计算 钢塔时将分两个计算模型，模型1：钢塔置于地上的模型，模型2：钢塔置于高楼顶的模型，通过分别计 算，通过钢塔置于高层建筑屋顶和置于地面的地震力进行比较来说明钢塔在屋顶的鞭梢效应.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 图3钢塔计算模型（模型1） 图4钢塔置于楼顶计算模型（模型2） 虽然对整体结构进行时程分析是一种比较精确的设计方法，但其直接应用于实际工程设计较为复杂且 计算量很大，其直接应用于工程设计并不是很方便，所以结构设计还需采用振型分解反映谱法进行设计， 其较为方便且能够满足工程应用的精度.
参照抗震规范的底部剪力法对突出屋面结构的计算方法，为了简 化设计，可以设计钢塔时将钢塔单独计算（不考虑主楼即模型1）中考虑将钢塔的地震力放大进行设计， 所以需要确定钢塔地震放大系数，采用有限元软件MIDAS/GEN建立两个模型，通过主楼带塔的整体模型（模 型2），选取适合的地震波对整体模型进行时程分析，通过时程分析的结果确定钢塔地震剪力，然后在模型 1中采用振型分解反映谱法将地震力放大到时程分析结果的最大剪力对钢塔进行设计.
这种计算方法相对 计算效率和精度较好，能够取得较好的工程应用价值.
3.1结构自振特性 高层建筑结构屋顶钢塔的外型特征是高而细，以横向荷载为主要荷载，所以其水平振动动力特性往往 具有决定性的作用.
对钢塔和钢塔与主楼的整体模型进行振型分析，具体结果如下图所示： T1=0. 2132s T2=0. 2131s T3=0. 06103s T1=5. 664s T2=4. 3434s T3=3. 3931s 图5钢塔自振特性（模型1） 图6整体模型自振特性（模型2） 从结构自振特性可以看出，主楼模型带塔的模型的前三阶周期分别为5.665s，4.3434s，3.3931s，钢 塔前三阶周期为0.2132s，0.2131s，0.06103s，钢塔的主振型与主楼振型差别较大.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 3.2结构地震响应时程分析 本工程场地为7度（0.10g），二类场地，根据抗震规范要求选取三条地震波，两条天然波和一条人工 波进行时程分析，三条地震波谱分析如下图所示： 0.16 0.12 设计反应谱 天然波2 系数 天然波1 人工波 地威 0.04 0. 00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 周期(s) 6 00 图7地震波波谱分析图 3.3结构地震响应计算结果 对两个模型进行时程分析，为了说明地震作用下钢塔置于主楼楼顶的鞭梢效应，选取发射塔主要杆件进 行内力比较，具体结果如下表所示： 表2主要杆件地震工况下内力比较 杆件编号 模型1 模型2 模型2杆件内力/模型1杆件内力 钢塔单独模型 整体模型 比值（内力放大系数） 地震工况 天然波1 天然波2 人工波1 天然波1 天然波2 人工波1 平均值 1 22. 1 281. 2 188.6 301.2 12.7 8.5 13.6 11.6 2 21. 9 275. 3 176. 3 299.6 12.6 8.1 13.7 11. 4 3 3. 4 28.9 18.7 27.6 8.5 5.5 8.1 7. 4 4 3.1 26.0 16.5 25.3 8.4 5.3 8.2 7. 3 5 27.6 226. 0 176.1 234. 4 8.2 6.4 8.5 7.7 6 28.2 222. 5 170. 7 241. 0 7.9 6.1 8.5 7.5 7 4.9 50.0 33. 3 57.1 10.2 6.8 11.7 9.6 8 5.5 45.5 38.1 48.5 8.3 6.9 8°8 8. 0 9 22.8 206. 7 198. 4 241. 8 9. 1 8.7 10. 6 9.5 10 24.7 208. 4 201. 3 233. 3 8.4 8.1 9.4 8.7 11 4.7 46.6 39.0 54.9 9. 9 8.3 11.7 10.0 12 5.8 51.5 43.6 62.0 8.9 7.5 10.7 9. 0 13 18.2 181.2 155.6 202. 1 10.0 8.5 11. 1 9.9 14 4.8 59. 8 38. 7 44.3 12.5 8.1 9.2 9.9 平均值 9.1 通过分析统计，在三条地震波作用下模型2主要杆件和模型1主要杆件的内力放大系数5.3~13.6不 等，主要杆件放大系数平均值为9.1，最大值为13.7.
根据抗震规范要求，对于取三条地震波时，应取最 大值进行设计，为了安全起见，本工程对钢塔进行设计时地震力内力放大系数取15.
即将模型1中的地震
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 力放大15倍对钢塔进行设计.
钢结构发射塔典型大样如图8所示： 10.9表变年的20 256.200 板据实异放样机定 中型钢柱 图8发射塔典型节点大样 4结论 通过上面分析可以看出，对于高层钢筋混凝土建筑屋顶放置钢塔的结构，由于主楼和钢塔动力特性差 别较大，在地震作用下，主楼对钢塔有放大作用，放大作用与主楼的高度、主楼与钢塔的动力特性有关， 在设计时，应综合考虑钢塔与主楼结构共同作用时的地震反应，才能保证主楼与钢塔结构的安全.
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