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1、繁杂屹立的观光塔钢结构分析与设计特点与难点观光塔凭借其结构极限值高、造型细长等特点，极大大幅提升了游客观感体验，事实上同时也给结构设计带来了显而易见挑战。相结合某复杂高耸观光塔工程，介绍了观光塔钢结构设计的特点与难点。观光塔总高度为204.4m,主要包含裙房、主塔塔身、塔楼及顶上游乐设备四部分，其功能涵盖商场、物业、旋转餐厅、观光服务平台和游乐设施等，钢塔主体结构货币资本采用钢结构筒体结构，筒身由钢管混凝土柱及钢支撑构成，其平面为八边形，共布置8 个钢管混凝土柱，竖向沿八边形外围布置跨层X 形支撑作为主要抗侧力主要就管理体系。在介绍整体结构中体系及功能分布的基础上，结合结构各部位特性与难点对结
2、构设计方案展开阐述。观光塔主塔结构高宽比大，钟楼处直径较大且所处位置较高，放大了高宽比大这一不利影响。针对该特点，在塔身底部增设四个伸臂设置支撑桁架，连接点通过对比分析确定伸臂支撑桁架与钢柱并的标高位置，有效减轻了观光塔主塔结构高宽比上大上大的不利影响；对于楼面大开洞导致的刚度削弱，在楼面内则布置水平钢支撑，楼面钢梁共同形成抵抗水平侧力的一道通长桁架；将钟塔底层设置为转换桁架层，以实现塔楼非常大悬挑，悬挑桁架杆件大都采用H型钢；为有效锚固观光塔顶部主梁太空梭游乐设备，在设太空梭支座底部设置转换桁架，将风压直接传递到雾天塔体外筒钢管混凝土柱上；布置专门的钢架钢梁用于支承旋转餐厅设备，分别采用变桁
3、架高度与变截面黄高度梁的模式解决了旋转设备高度导致的结构高差问题。利用有限元软件对观光塔结构开展了模态分析、风荷载及地震关键作用分析、结构变形与受力分析，并对结构中的关键节点如底部伸臂支撑与裙房连接节点开展了精细化有限元分析。分析结果表明：结构振型模态与景气周期、结构在风荷载与作用下的侧向变形、结构竖向变形与承载力杆件验算等两项性能指标均满足规范要求；换句话说铸钢节点完全处于弹性范围内，满足设计要求；风荷载在该观光塔结构设计中为压制荷载，地震作用影响较小。近年来旅游业蓬勃发展，人们在人们观赏大自然美景的同时，不断寻求着更上一层楼的观感感观体验。在这种背景下，大量旅游观光项目新筑得以辟建，其中以
4、大型观光塔为典型代表。此类建筑结构具有高度高、外形细长、机能设施多等特点，高度可达数百米，功能涵盖旅游观光、娱乐购物、休闲餐饮等，往往是当地的旅游胜地性建筑物。因此，颇为观光塔的组合式较为复杂，除安全性、经济性外，还需有综合考虑与附属功能设施的对接结合等，具有较大的挑战。本文结合某复杂高耸观光塔钢结构工程，详细介绍了此类结构的设计方法，对结构选型、塔楼大悬挑、太空梭游乐设备主梁和节点设 计等关键问题展开阐述，并给出相关人员结构设计建议。1 工程概况工程位于内蒙古满洲里市，塔总高度为204.4m,包含太空梭设备高度51m结构总高度153.4m,地下一层，其层高为5.2m;地上25层, 除3层层高
5、为6.525m及25层层高为4.6m外，其余层高均为6.2m。大 型项目功能包含商场、物业、旋转餐厅、观光平台和游乐设施等，总建筑面积19143m2建筑效果如图1所示。钢塔主体结构形式采用钢结构筒体结构，筒身由钢管混凝土组合成柱及钢支撑构成，其平面为八边形，共布置8 个钢管混凝土柱，竖向沿八边形外围布置跨层X 形主要包括支撑作为主要抗侧弹力体系。基础采用筏板基础，地基采用素混凝土刚性桩复合地基设计方案。土建地下室为混凝土框架结构，结构底部 0.024.8m（14层）范围内为 商场和物业办公区，具结构形式采用钢框架结构。中间楼层 （520层） 主要为交通空间，核心筒区域共布置有两座疏散楼梯和六部
6、高速电梯。124148.8m为塔楼所在楼层（2124层），其中除拱门底层为中层转换桁架层外，其余3 层为旋转餐厅和观光平台。顶层 （25 层） 主要功能工具为电梯机房层及转换桁架层（用于支承顶部游乐交通设施） 。结构三维视图如图 2 所示。拟建工程场地地震设防烈度为 6 度，设计基本地震加速度为 0.05g ，设计地震分组为第一组，场地类别为 II 类场地，场地特征周期为0.35s,抗震设防分类标准为圣吉龙县。地面压差类别为B类。结构设计基准期为 50年，安全等级为二级，结构重要性系数取1.0 。2 结构特点与措施1） 主塔高宽比大。若不考虑底部裙房，主体结构的高宽比为153.4/16.5=9
7、.3 ，同时起伏结构球面尺寸非均匀变化，塔身处平面长度为16.5m,而塔楼处二维为直径40m的圆。在抗风计算中，塔楼部分风产生剪力约总和整体结构风荷载下总剪力的45%，而塔楼部分风荷载产生倾覆弯矩约占风荷载作用下总倾覆弯矩的58%。这是由于塔楼所处位置水平面较高，且挡风面积大，因此风荷载较大，对结构中的影响十分显著。可以说，在结构高宽比较大的情况下，塔楼的存在放大了“大高宽比”这一不利影响。管吻为了减轻高宽比大的不利影响，在塔身向下设置四个伸臂支撑桁架，如图 3 所示，每个伸臂桁架与两根钢管混凝土柱分别在5 层和 6 层楼面处连接。伸臂桁架与钢柱连接点的标高对伸臂作用所能发挥的桁架有很大影响，
8、在方案设计阶段，对比了伸臂桁架与钢柱位置不同时，伸臂桁架所受倾覆弯矩占总倾覆弯矩比值的情况，如表1 所示。可知，随撑点后位置的提高，伸臂桁架所分担的倾覆磁钢不断不断增加，考虑伸臂支撑对中西合璧的影响，最终选用撑点横杆为5 层和 6 层楼面。此外，针对观光塔结构底部受力受热较大的特点，本工程采用0 1250钢管混凝土，并适当加密内侧塔身下部的竖向支撑。2）核心筒楼面大开洞。中间楼层（520层）典型第一层如图4所示,核心筒内共有六个电梯井七个及两座升降机，楼面开洞面积约为98m2，超过对应楼面面积的30%（68m2）楼面大开洞导致楼板的面内刚度大大降低，对于本结构而言，核心筒楼面可视为筒体的“加劲
9、横隔板”，其强度甚为和刚度对塔身的稳定十分重要。针对核心筒基于楼面大开洞的特点，本工程在楼面内布置水平钢支撑，结合楼面悬臂钢梁共同形成抵抗水平侧力的一道通长桁架。此 外，对楼面钢梁进行适当加强，将钢梁布置为“井字梁”，梁与梁、 梁与柱相互关系的连接采用均采用刚接。由于本工程竖向支撑采用跨层X 形中心支撑，根据规范规定：在压制与横梁相交处，梁的上下翼缘应应当设置侧向提振。因此，内部结构设置在边框架梁中部均设置拉结点，如图 4 所示，而楼梯外边框架梁由于楼梯洞口的，无法直接从内部拉结，故特设置两扇两道侧向平面桁架，为钢梁与支撑提供支持相交点提供轴向拉结，保证跨层支撑的整体稳定。3) 塔楼大悬挑。塔
10、楼共4 层，由核心筒开去悬挑长度为 11.75m，通过设置21层钢桁架转换层，并在2224层外围布置24根通长钢柱, 以将其载荷传递到 21 层钢桁架转换层。转换桁架奇特布置如图 5 所示， 桁架在悬挑表皮处高度为6.2m,在悬挑端部处为5.58m。塔檐桁架杆 件均采用H型钢，钢筋节点均采用刚接连接，基本特征杆件截面详见 表 2。4)太空梭游乐通讯设备锚固。登月游乐设备高度51nl在结构顶部153.4m处与主体结构连接，太空梭塔架平面为正八边形，平面宽度为 2.35m,云彩梭设备三维如图6所示。在风荷载作用下，太空梭基座除 传递风主梁剪力外，还承受塔架在荷载下产生的倾覆弯矩，而这一弯矩主要通过
11、一拉一压形成的力偶来抵抗。经计算，太空梭设备的重力荷载约为59kN/柱，而风荷载下太空梭支座的竖向力分量最大为 1057kN/柱。止匕外，宇宙飞船基座还太空梭需具有足够的抗变形能力， 考虑51m设备高度，基座微小的转动角都会不规则放大太空梭顶部的 位移，造成不利影响。因此，太空梭设备与主体结构的连接需要足够的强度和刚度，柔性其结构设计具有一定的挑战。相关文献总结了两种用于天线与主塔结构连接的方法，分别为插入式方案和桁架转换方案。插入式方案为将天线结构（ 对本结构而言为太空梭设备） 钢柱直接插入到混凝土核心筒，天线弯矩逐步由内筒转换到外筒，结构设计和构造安全、可靠。然而，本结构为钢结构筒体结构，
12、钢架无大内设混凝土或钢结构核心筒，内部仅有构造用的扶手柱，无法难以承担太空梭设备的荷载。桁架转换式方案为通过设置位于太空梭滑轮底部的转换桁架层，将荷载直接传递到塔体外钢管混凝土柱上，具有刚度大、变形小的特点。为避免桁架结构层对建筑功能布置等造成过多影响，本结构设计时巧妙地将转换扶手箱型层与电梯机房结合布置，即布置主要壁承重桁架于控制室机房侧壁，再通过次桁架箱型将奋进号支座荷载过渡到主桁架上，其结构布置合理，同时充分利用了自由度。因此，本工程设计采用桁架转换式方案，类比桁架层布置如图 7 所示。5） 旋转平台的特定处理。穹顶观光塔结构在塔楼二层和三层分别布置有旋转餐厅，其外径均为39.1m,内径
13、分别为29.1m和25.4m。旋转设备主要包括阻燃板、阻燃板骨架、导轨板、支撑轮及预埋件等。平台通过导轨导轨吊杆于支撑轮上，并由电机驱动，达到旋转的目的。由于旋转设备支座数量少许，间距较小，因此结构设计中需在支撑轮对应位置设置专门的钢梁，以达到支承目的。根据滑动设备需要，以圆顶二层旋转餐厅为例，在直径 31.4m和36.7m处分别设置一圈钢 梁，并焊接通过模具连接件与支撑轮相连。值得注意的是，金属结构时应预留一定的平台设备高度，建筑风格塔楼二层的旋转地面与普通地面建筑高差450mm考虑混凝土板厚150mm&设备高度320mm则旋转平台钢梁与非旋转楼面钢梁梁顶为 620mm塔楼三层的地面则与普通
14、地面标高一致，因此桥面梁顶高差为 170mm常见的处理四次方法为将局部次梁用搁置的方式连接在主梁上， 以实现结构钢梁的高差。本工程结构在塔楼二层旋转餐厅处则是与转换桁架结合布置，通过桁架高度的变化(6.25.58m)使钢梁标高在旋 转餐厅范围内钢制降低620mm图5)。在塔楼三层处，通过设置变截面 高度梁，即梁高分别为1000m林口 830mm达到标高降170mm勺要求。变截面处节点做法如图 8 所示。在结构计算中，考虑荷载主要包括钢结构自重、恒荷载、活荷载、风荷载、温度作用和强震作用。观光塔钢结构自重由程序自动计算，其他产品设计荷载参考GB50009 2021建筑结构荷载规范取值如下。1)
15、恒荷载主要由地库及墙体荷载组成，典型荷载取值为：混凝土楼面取5.0kN/m2,花纹钢板楼面取1.0kN/m2,塔身装饰格栅取 0.6kN/m2。2) 活荷载根据相应铺位楼面功能确定，典型荷载有：商场及观光层等可能出现人员密集的情况取3.5kN/m2,屋面(不上人)取0.5kN/m2,设备荷载依据厂家资料依据推断出。3) 风荷载从严取值按进行规范从严执行，基本风压按50 年重现期风荷载标准值(0.65kN/m2) 的 1.1 倍取值 (为 0.715kN/m2) ，地面粗糙度为 B 类。风荷载体型系数分段值域，裙房及塔身分别按矩形及八边形平面封闭式房屋的规定取值，塔楼处体型系数偏保守取为 1.2 。风压高度变化系数依据规范插值得到，风振系数主要依据规范8.4.3 条有关规定计算。本次验算共考虑0 ，45和90三个风向角，基本覆盖涵盖了结构的最不利角度。4) 基本雪压按100 年重现期取0.35kN/m2 。5)温度作用考虑钢结构受约束瑞维尼温度为515C,取结构最大升温30，结构最大降温- 50。4 结构分析采用SAP200陌限元软件进行观光塔钢结构的建模及分析设计，模型包含裙房及浴室，计
