高聳塔臺結構設計與分析

金懷印

（上海民航新時代機場設計研究院有限公司，上海200335）

機場塔臺又稱為控制塔，是一種設置于機場中的航空運輸管制設施，用來監看及控制飛機起降的制高點。機坪塔臺主要采用以目視和視頻監控為主的方式掌握地面運行動態，為了確保機坪管制工作安全，塔臺的建筑高度應滿足其通視要求，塔臺筒身直徑相對較小，高寬比較大，故而塔臺建筑多為高聳建筑。塔臺主要功能為塔頂的管制室、休息室及設備層。塔臺建筑結構的安全可靠性是保證機場航管系統正常運行的關鍵，是保證震后救災的基本條件。

本文針對高聳塔臺的建筑特征，提出了相應的概念設計措施，結合某機場新建塔臺對其結構設計的若干關鍵問題進行了探討，并基于性能化設計思想對不同設防水準的地震作用下的結構性能進行了分析，可為同類結構的設計提供借鑒。

1 工程概況

某國際機場空管塔臺為一棟單塔式建筑，塔臺地上建筑高度為97.65 m，地上共30層，地下1層。管制室、設備用房、機房、休息室、講評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，各層樓面外環尺寸逐漸擴大，形成“上大下小”塔臺整體立面特點。塔臺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，筒體內部墻體厚度為250 mm。塔臺管制層為頂部兩層，結構形式為鋼框架結構，其它功能層為鋼筋混凝土筒體+鋼筋混凝土框架結構。塔臺地下為一層地下室。

工程結構設計使用年限為50 a，結構耐久性設計年限為50 a，建筑結構安全等級為一級，結構抗震設防類別高于重點設防標準，結構安全系數為1.1。抗震設防烈度為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]。本工程屬于細長圓形高聳結構，對風荷載較為敏感，基本風壓取值適當提高：0.90 kN/m2（100 a一遇），橫向風振效應顯著，需考慮橫風向風振，建筑場地近海，地面粗糙度A類，風荷載體形系數取1.40，承載力設計時放大系數1.0，溫度作用取為±34℃,考慮不均勻升降溫[4-5]。

2 塔臺結構設計要點分析

2.1 結構方案概念設計

由于塔臺建筑呈現出細長輕柔的特點，塔臺結構宜采用抗側剛度大的結構體系，本工程選用鋼筋混凝土剪力墻筒體結構[6]。塔臺功能需要決定了功能層集中布置于筒體的上部，形成“上大下小（上重下輕）”不利于結構抗震概念設計的建筑體型，需控制塔臺上部樓層體型及結構重量。筒體上部功能層的外伸部分宜采用鋼框架結構。

塔臺頂層指揮管控室需視野開闊、遮擋少，頂部管制層結構體系宜采用鋼框架結構。導致結構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，結構頂部管制層較下部樓層質量、剛度突變，鞭梢效應顯著，為不利于結構抗震概念設計的結構體系。管制層鋼框架柱在滿足提高后抗震性能指標的前提下，安全余量不宜過大，且鋼框架柱與下部混凝土結構宜采用剛性連接。管制層鋼框架結構設計時需考慮鞭梢效用的放大系數。

塔臺因立面造型或建筑功能的需要，導致建筑立面中下部大尺度縮進，豎向構件不連續，筒體上部外挑部分豎向荷載無法向下直接傳遞，需使用轉換結構將豎向荷載沿水平方向傳遞，再由其它構件向下傳遞。根據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換構件，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可設置斜撐轉換構件，該方案傳力方式合理可靠，但該方案易于對塔臺外立面形成不利影響；傳力方案3為水平轉換大梁+吊柱懸掛方案，該方案水平轉換大梁設置在筒體頂部，大梁下掛鋼柱，承擔下部筒體外擴梁板，該方案具備方案1的優點，且挑梁不受筒體內平面的限制，但水平轉換大梁宜結合管制層結構平面布置情況進行設置，且需注意各部分結構構件施工順序（筒體→頂部梁板→懸掛鋼柱→下部外擴梁板）。連接方案的選擇需根據各工程的實際條件予以選擇，鑒于本工程塔臺外立面造型為弧形漸變，功能層的下部設置斜柱支撐可在其外圍弧形幕墻之內。本工程選擇斜柱支撐方案，為了避免樓層剛度突變，可結合墻體厚度變化沿豎向多個樓層設置斜柱支撐。

圖1 筒體轉換構件傳力方案

塔臺高聳細長及上重下輕的特點對結構整體抗傾覆穩定性不利，基礎底面易于出現零應力區或零應力區易于超出15%的規范限值。可采用如下概念設計措施提高結構整體抗傾覆穩定性：首先，設置擴大尺寸的地下室（地下室外墻相對于筒體外擴），保證基礎埋深，提高其抗傾覆穩定性；其次，設置壓重、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抗拔要求；然后，在擴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，加強地下室部分的整體性和剛度，協調地下室筒體部分與外擴部分受力及變形，并保證地下室剛度滿足上部結構嵌固要求。

2.2 抗震設防標準

現行《建筑抗震設防分類標準》（GB 50223-2008）規定航管樓的設防標準應高于重點設防類，較2004版規定的設防標準有所提高，但未達到特殊設防類的設防標準，且具體提高程度未作具體說明，致使航管類建筑（含塔臺）的抗震設防標準有些模糊，導致航管類建筑（含塔臺）結構抗震設計無據可依。

航管樓（含塔臺）結構設計在考慮保證人身安全的基礎上,還要考慮結構震后使用功能的延續，保證通信設施和網控設備等在地震后仍正常運行，保證抗震救災的順利進行。經咨詢規范編制組相關專家意見，建議航管類建筑（含塔臺）除按照乙類建筑設防標準進行抗震設計外，尚應采取措施提高結構抗倒塌變形能力，確保結構具有合理的破壞機制和變形能力、良好的結構延性，使其在不同設防水準的地震作用下,結構具有不同的性能水平。

2.3 結構超限狀況

本工程結構高度為97.65 m，屬A級高度的高層建筑。塔臺結構屬于超限建筑，存在如下不規則項：首先，結構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，為超出現行規范（程）規定的混合結構，為特殊類型高層建筑超限；其次，因建筑功能的需要，豎向構件不連續，局部多個樓層存在豎向抗側力構件的內力由轉換斜撐向下傳遞，屬于豎向抗側力構件不連續，豎向不規則超限；然后，頂層管制層存在斜柱，為局部不規則；最后，塔臺因為是高聳細長筒體結構，高寬比超出了《高規》[7]3.3.2條的規定限值，底部零應力區易于超出規范限值。

2.4 抗震性能目標

基于航管類建筑（含塔臺）結構的功能與重要性、結構類型和規則性、抗震設防標準等方面的特殊要求，塔臺適于采用抗震性能化設計方法。綜合考慮塔臺結構建造費用、震后損失與修復難易程度、社會效益等諸多因素，塔臺結構抗震性能目標等級的選用宜偏于安全，適宜選用B級。按照《高規》[7]3.11.1條所規定的四級結構抗震性能目標及五個結構抗震性能水準，B級抗震性能目標在指定地震地面運動下的結構抗震性能水準如下：在多遇地震作用下，結構抗震性能水準1，即結構滿足彈性設計要求；在設防烈度地震作用下，結構抗震性能水準2，即關鍵構件和普通豎向構件正截面和斜截面均滿足彈性設計要求，耗能構件斜截面滿足彈性設計要求，正截面滿足不屈服設計要求；在預估的罕遇地震作用情況下，結構抗震性能水準3，結構僅有輕度損壞，即關鍵構件和普通豎向構件需滿足正截面不屈服和斜截面彈性設計要求，耗能構件斜截面不屈服設計要求。

塔臺結構關鍵構件主要包括底部加強部位筒體剪力墻、水平轉換構件、斜柱支撐及其相對應的筒體剪力墻。普通豎向構件為非關鍵構件的筒身剪力墻及上部功能層的框架柱；耗能構件為連梁或框架梁。

本工程采用鋼筋混凝土筒體結構體系，依據《高規》[7]3.9.3條規定，塔臺剪力墻、連梁、框架柱、框架梁抗震等級為一級。地下室結構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構嵌固端，依據《高規》[7]3.9.3條規定，地下一層結構抗震等級同上部結構。依據抗震性能化設計思想，塔臺關鍵構件抗震等級提高至特一級。

2.5 塔臺結構設計建議

（1）頂部管制層鞭梢效應顯著，管制層鋼框架結構設計時需考慮鞭梢效用的放大系數，所以建議放大系數取1.5。

（2）塔臺功能層筒體外擴部分豎向抗側力構件的內力向下傳遞方案可采用筒體內部梁外挑、筒體外圍設置斜柱支撐或懸掛結構等方式，建議結合塔臺建筑平面布置及里面造型予以選用。

（3）塔臺抗震設防分類標準應高于重點設防類，建議按照乙類計算地震作用，將塔臺關鍵構件（底部加強部位筒體剪力墻、轉換構件）的抗震等級提高一級，已為特一級不再提高。

（4）高聳塔臺地下室建議采用外擴地下室結構平面，并結合回填土壓重及抗拔樁或抗拔錨桿的設計，提高整體結構的抗傾覆能力及抗浮性能。

（5）建議采用抗震性能化設計方法，結構抗震性能目標等級的選用宜偏于安全，建議選用B級。

（6）塔臺筒體底部存在拉應力，當提高墻體配筋率后，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范要求，可在墻身內部沿環向設置型鋼承擔拉力。

（7）高聳塔臺總高度大于24 m時，底部加強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）非底部加強部位軸壓比大于0.2的墻肢均設置約束邊緣構件；適當加大筒身墻體邊緣構件配箍特征值，保證邊緣構件縱筋每筋必拉，提高邊緣構件混凝土受約束程度。

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

3 地下室及地基基礎設計

本工程建筑地基基礎及樁基設計等級均為甲級。根據地勘報告及整體計算分析結果，本工程采用樁筏基礎，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。

塔臺地下室可采用三種方案進行對比選擇，方案一為上部筒體下沉，平面不擴大，筒體外圍沿徑向設置加勁肋，方案二、三采用擴大地下室平面方案，塔臺筒體與擴大地下室外墻之間設置徑向墻體連接，方案二為環形外擴地下室結構平面，方案三為矩形外擴地下室結構平面，如圖2所示。

兩地下室結構平面布置方案抗傾覆及基底零應力區整體計算結果如表1所列，計算結果表明，擴大地下室平面方案結構整體抗傾覆能力得到顯著提升，基底零應力區顯著減少。矩形外擴地下室結構平面抗傾覆能力優于等徑向尺寸的環形外擴地下室平面方案。地下室空腔中設置回填土壓重可進一步提高結構抗傾覆性能，并降低基底零應力區。因此，本工程地下室平面方案宜選擇矩形外擴地下室結構平面。

表1 塔臺整體抗傾覆能力及基底零應力區

樁基基礎計算分析分別考慮風荷載、小震、中震、大震等計算工況，依據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，筒體內部樁基數量可適當減少。樁基平面布置如圖2所示。

由于項目所在地地下水位較高，地下室抗浮設計成為影響結構安全的重要問題，本工程地下室需進行抗浮設計。抗浮設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，依據地勘報告，抗浮水位取-0.5 m。抗浮措施采取“壓”和“拉”相結合的方法抵抗水浮力，“壓”即為在地下室擴大平面空腔中填充回填土增加配重，如圖2中陰影填充區域所示，“拉”為設置抗拔樁。

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圖2 地下室結構平面布置方案

按照中震彈性計算及大震彈塑性計算的底部彎矩設計值復核樁筏基礎的安全性，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，基礎底板需具有一定的結構剛度，并滿足強度、裂縫寬度要求，筏板厚度計算確定為1.5 m。

4 上部結構性能分析

本工程抗震性能化設計計算軟件采用PKPM2010（V5.2）。

4.1 小震及風載作用下結構性能分析

采用振型分解反應譜法（CQC法）計算多遇地震作用下的結構響應，各振型貢獻按CQC法組合，管制層鋼框架地震作用放大1.5倍。計算模型取消強制剛性板假定，真實考慮樓板剛度。地震作用效應的計算，同時考慮扭轉耦聯的雙向地震作用及單向地震作用下5%的偶然偏心。

結構動力特性及主要控制參數計算結果如表2與表3所列。可知：（1）結構前四階振型均為平動振型，扭轉周期與第一平動周期比值為0.23，滿足規范限值；（2）振型數的取值滿足振型參與的有效質量大于總質量的90%的要求；（3）考慮偶然偏心的規定水平力作用下的各樓層最大扭轉位移比遠小于1.20，表明結構扭轉效應不明顯，結構平面布置較為規則，具有足夠的扭轉剛度；（4）小震作用下的各樓層層間位移均小于規范限值1/1000（剪力墻筒體）、1/800（框筒）、1/250（鋼框架），表明結構具有足夠的側向剛度；（5）各樓層最小剪重比（樓層的地震作用標準值的剪力與其以上各層總重力荷載代表值的比值）滿足現行《高規》[7]4.3.12樓層最小地震剪力系數值的要求，表明CQC法計算所得水平地震作用下各樓層地震剪力分布較為合理，無需對地震內力進行放大；（6）各樓層的上下層剛度比及受剪承載力之比表明，結構豎向不存在軟弱層或薄弱層；（7）在10 a一遇的風荷載標準值作用下，結構頂點風振加速度小于0.25 m/s2，滿足舒適度要求。綜上所述，多遇地震作用下，結構滿足抗震性能水準1的設計要求，程結構體系的選擇及結構布置合理。

表2 結構動力特性

表3 主要結構整體計算指標

4.2 中震作用下結構性能分析

基于承載力的結構性能設計中，設防烈度作用下結構計算常采用彈性CQC法，并按不屈服和彈性分別計算。設防烈度地震作用下，塔臺關鍵構件和普通豎向構件正截面和斜截面均滿足彈性設計要求，耗能構件斜截面滿足彈性設計要求。中震分析需注意以下幾點：（1）地震影響系數最大值按中震（2.8倍小震）取值，為0.23；（2）取消內力組合調整（墻柱弱梁調整、強剪弱彎調整）；（3）中震不屈服分析時，構件內力不需要考慮分項系數（即靜力和水平地震分項系數取1.0，豎向地震分項系數取0.4）、材料強度取標準值、抗震承載力調整系數取1.0。中震作用下結構最大層間位移角為1/650（剪力墻）、1/525（框筒）、1/186（鋼框架），均小于規范限值1/500（剪力墻筒體）、1/400（框筒）、1/200（鋼框架）。

塔臺筒身墻體、框架柱、水平轉換構件在中震彈性工況下未出現抗剪超筋及抗彎超筋信息，說明塔臺關鍵構件及普通豎向構件出于中震抗剪、抗彎彈性，滿足本工程設定的性能2水準。筒身部分外圍墻體1～5層出現拉應力，適當提高墻體配筋率后，墻體裂縫仍超出規范限值，可在墻身內部沿環向設置型鋼形成型鋼混凝土剪力墻，并控制全截面拉應力不超過兩倍混凝土抗拉強度標準值[1]。

框架梁在中震不屈服工況下未出現抗剪超筋信息，僅少量框架梁出現抗彎超筋信息，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，耗能構件框架梁的抗震性能滿足本工程設定的抗震性能水準。連梁在中震不屈服工況下未出現抗彎、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定的抗震性能水準2。

4.3 動力彈塑性時程分析

結構彈塑性分析可計算結構在大震作用下是否滿足規范規定的層間位移角的限值；亦可判斷結構的薄弱層和薄弱構件所在位置，對重要的構件進行加強，以保證大震作用下抗震性能目標的實現。鑒于本工程抗震設防類別高于乙類，且具有超限特性，對其進行彈塑性分析[3]。

本工程大震作用下動力彈塑性時程剪力及位移計算結果如表4所列。動力彈塑性分析軟件采用EPDA，依據地震波選取原則[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進行控制，地震波持續時間為20 s，滿足大于結構自振周期5倍的要求，地震波加速度峰值取220 gal。

表4 大震彈塑性時程分析剪力及位移計算結果

計算模型考慮P-Δ效應（塔臺屬于高聳建筑，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的合理區間；2）大震作用下，結構豎立不倒，結構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；3）大震作用下，筒體總體應力水平較低，基本處于彈性狀態，部分框架梁端出現塑性鉸，但未發生嚴重破壞。

總體而言，結構在大震作用下的彈塑性反應及破壞機制，符合結構抗震概念設計要求，筒體、框架柱、框架梁及轉換構件均滿足大震性能目標要求。

5 關鍵節點設計

5.1 管制室鋼柱柱底節點

塔臺頂部管制室樓層工藝要求采用鋼框架結構，框架柱為斜鋼柱，鋼柱傾斜角度應與管制員的視線垂直，約為傾斜15°。鋼柱支撐鋼屋蓋或鋼結構樓板，并將荷載向下傳遞至筒體墻身。當柱腳與筒體墻身距離較近時，可在筒體外部設置鋼筋混凝土牛腿支撐斜鋼柱，如圖3（節點詳圖1）所示；當柱腳與筒體墻身距離較遠時，可設置鋼骨混凝土轉換梁支撐斜鋼柱，如圖3（節點詳圖2）所示。鋼骨混凝土轉換梁抗震等級提高一級，箍筋全長加密。本工程采用牛腿支撐方案，鑒于牛腿底部會對筒體產生較大的面外壓力，在此處的筒體墻身內設置構造加強鋼骨暗梁。

圖3 管制室鋼柱柱腳節點

5.2 斜柱支撐與筒體連接節點

塔臺功能層筒體外擴部分豎向荷載通過斜柱支撐傳遞至筒體，斜柱支撐為關鍵構件，其抗震等級宜提高一級，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，樓面標高處于通過水平鋼梁于筒體墻身連接，底部立于筒體沿環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，斜柱支撐底部會對筒體產生較大的面外壓力，斜柱支撐與豎向鋼柱交接處水平鋼梁對筒體產生較大的面外拉力，故在此兩處的筒體墻身內設置構造加強鋼骨暗梁。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]，可不設置加強鋼骨暗梁，僅設置鋼筋混凝土暗梁，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 外擴平面與筒體連接節點

6 結語

基于國內某國際機場新建塔臺的設計實例，對高聳塔臺結構體系的選擇、轉換構件的設置、地下室及基礎方案的確定等概念設計應對措施進行了探討，對結構抗震設防標準、超限狀況及抗震性能目標進行了分析，并基于性能化設計思想對塔臺結構進行了不同設防地震作用下的抗震性能分析，給出了塔臺設計中關鍵節點建議方案。本文給出了高聳塔臺類建筑的結構設計建議，可為同類項目的結構設計提供參考。