高层建筑屋顶钢塔效应研究

1工程概况

主塔写字楼总高333m，主塔楼高245m，顶部设置高达88m的钢结构电视发射塔，钢结构发射塔楼的自身高度(包括避雷针)几乎为总结构高度的1/3。本工程主塔写字楼为混合结构，位于7度区，设计基本地震加速度为0．1g，设计地震分组为第一组。本建筑场地类别为Ⅲ类，阻尼比取值为0．04，建筑的主要平面及钢塔立面图如图1，图2所示。

2结构动力特性分析

本文采用ETABS软件对结构进行分析。将计算出的自振周期与SATWE的结果进行比较，比较结果见表1。从表1中可以看出，两种软件计算出的自振模态几乎一致，由此初步判定模型的模态分析结果准确、可靠。本文通过分别减小主楼的高度和发射塔的高度来改变主楼与发射塔的刚度及刚度比，分别选取了10种高度组合：1)主楼高度降低33．2m，发射塔塔高不变;2)主楼高度降低61．05m，发射塔塔高不变;3)主楼高度降低61．05m，发射塔塔高不变(虽然降低高度同第2)种，但主楼刚度要比第2)种降低方式的主楼刚度大);4)主楼高度降低102．55m，发射塔塔高不变;5)主楼高度不变，发射塔塔高降低24．5m;6)主楼高度不变，发射塔塔高降低30．5m;7)主楼高度不变，发射塔塔高降低37．5m;8)主楼高度不变，发射塔塔高降低38m;9)主楼高度不变，发射塔塔高降低45m;10)主楼高度不变，发射塔塔高降低51．5m。

其中5)～10)降低塔高的发射塔轴测图见图3。在各地震参数、荷载选取均相同的情况下，分别计算整体结构、主楼结构和发射塔结构的塔脚内力和塔顶位移，计算结果见表2，表3。表2，表3中的楼塔周期比及楼塔高度比是指主楼(不带发射塔)与发射塔的周期比，根据表格绘制曲线，见图4。从图4可以看出:当主楼和发射塔周期比较接近时，地震力放大系数最大，为7．748，而楼塔周期比达到1．9以上时，随着楼塔周期比的增加，地震力放大系数在5附近上下波动并逐渐减小，当楼塔周期比达到19．365时，其地震力放大系数为3．59。

当主楼周期和发射塔周期比较接近或者主楼刚度和发射塔刚度比相差悬殊时，塔顶的位移放大系数均会变大，当周期比为1．227时，位移放大系数为8．596，当周期比为19．365时，位移放大系数为10．652，而当周期比在1．9～9之间时，位移放大系数均在5附近上下波动，最大为5．235，最小为4．188。由此可见，在地震作用下，发射塔产生了较明显的鞭梢作用，在设计计算时，要充分考虑这一作用，进行整体刚度的控制及塔脚节点的验算。

3结语

本文通过ETABS对不同刚度主楼与不同刚度发射塔组合下的整体塔脚内力及塔顶位移与单塔塔脚内力及塔顶位移进行了比较，得出了以下主要结论:1)当主楼与发射塔周期比较接近时，两者发生共振，地震力放大系数较大，在设计中要尽量避免产生这种情况;2)对于这一工程，当主楼与发射塔周期比大于1．9时，地震力放大系数在5附近上下波动并随着周期比的增加逐渐减小。在设计中将塔体与主结构分离，直接按规范中规定的3倍的地震力加在发射塔和主结构上是不合理的，应按实际情况进行建模分析;

3)当主楼与发射塔周期比较接近或比较悬殊时，位移放大系数较大，在设计中应尽量避免;4)当主楼与发射塔周期在1．9～9之间时，位移放大系数在5附近上下波动。通过比较分析，对于这类在主结构顶部建设高耸结构的工程，在地震作用下容易产生鞭梢效应，不管是控制其刚度还是验算其塔脚内力及塔体杆件应力都应将其和主体结构合在一起进行分析，考虑实际的地震力放大系数和位移放大系数，应尽量避免主体结构和顶部高耸结构周期接近或相差悬殊。

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