觀光塔憑借其結(jié)構(gòu)高度高、造型細(xì)長(zhǎng)等特點(diǎn)，極大提升了游客觀感體驗(yàn)，同時(shí)也給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。結(jié)合某復(fù)雜高聳觀光塔工程，介紹了觀光塔鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與難點(diǎn)。觀光塔總高度為204.4 m，主要包含裙房、主塔塔身、塔樓及塔頂游樂(lè)設(shè)備四部分，其功能涵蓋商場(chǎng)、物業(yè)、旋轉(zhuǎn)餐廳、觀光平臺(tái)和游樂(lè)設(shè)施等，鋼塔主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)筒體結(jié)構(gòu)，筒身由鋼管混凝土柱及鋼支撐構(gòu)成，其平面為八邊形，共布置8個(gè)鋼管混凝土柱，豎向沿八邊形外圍布置跨層x形支撐作為主要抗側(cè)力體系。
在介紹整體結(jié)構(gòu)體系及功能分布的基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)各部位特點(diǎn)與難點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案展開(kāi)闡述。觀光塔主塔結(jié)構(gòu)高寬比大，塔樓處直徑較大且所處位置較高，放大了高寬比大這一不利影響。針對(duì)該特點(diǎn)，在塔身底部設(shè)置四個(gè)伸臂支撐桁架，并通過(guò)對(duì)比分析確定伸臂支撐桁架與鋼柱連接點(diǎn)的標(biāo)高位置，有效減輕了觀光塔主塔結(jié)構(gòu)高寬比大的不利影響；對(duì)于樓面大開(kāi)洞導(dǎo)致的剛度削弱，在樓面內(nèi)布置水平鋼支撐，結(jié)合樓面鋼梁共同形成抵抗水平側(cè)力的一道通長(zhǎng)桁架；將塔樓底層設(shè)置為轉(zhuǎn)換桁架層，以實(shí)現(xiàn)塔樓大懸挑，懸挑桁架桿件均采用h型鋼；為有效錨固觀光塔頂部太空梭游樂(lè)設(shè)備，在太空梭支座底部設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架，將荷載直接傳遞到塔體外筒鋼管混凝土柱上；布置專門的鋼梁用于支承旋轉(zhuǎn)餐廳設(shè)備，分別采用變桁架高度與變截面高度梁的方式解決了旋轉(zhuǎn)設(shè)備高度導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)高差問(wèn)題。
利用有限元軟件對(duì)觀光塔結(jié)構(gòu)開(kāi)展了模態(tài)分析、風(fēng)荷載及地震作用分析、結(jié)構(gòu)變形與受力分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)如底部伸臂支撐桁架與裙房連接節(jié)點(diǎn)開(kāi)展了精細(xì)化有限元分析。分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)振型模態(tài)與周期、結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載與地震作用下的側(cè)向變形、結(jié)構(gòu)豎向變形與桿件承載力驗(yàn)算等各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；鑄鋼節(jié)點(diǎn)完全處于彈性范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求；風(fēng)荷載在該觀光塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為控制荷載，地震作用影響較小。
近年來(lái)旅游業(yè)蓬勃發(fā)展，人們?cè)谟^賞自然美景的同時(shí)，不斷尋求著更上一層樓的觀感體驗(yàn)。在這種背景下，大量旅游觀光項(xiàng)目得以興建，其中以大型觀光塔為典型代表。此類建筑結(jié)構(gòu)具有高度高、外形細(xì)長(zhǎng)、功能設(shè)施多等特點(diǎn)，高度可達(dá)數(shù)百米，功能涵蓋旅游觀光、娛樂(lè)購(gòu)物、休閑餐飲等，往往是當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)性建筑物。因此，觀光塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，除安全性、經(jīng)濟(jì)性外，還需綜合考慮與附屬功能設(shè)施的對(duì)接結(jié)合等，具有較大的挑戰(zhàn)。
本文結(jié)合某復(fù)雜高聳觀光塔鋼結(jié)構(gòu)工程，詳細(xì)介紹了此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)結(jié)構(gòu)選型、塔樓大懸挑、太空梭游樂(lè)設(shè)備錨固和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)闡述，并給出相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議。
1 工程概況
工程位于內(nèi)蒙古滿洲里市，塔總高度為204.4 m，包含太空梭設(shè)備高度51 m。結(jié)構(gòu)總高度153.4 m，地下一層，其層高為5.2 m；地上25層，除3層層高為6.525 m及25層層高為4.6 m外，其余層高均為6.2 m。項(xiàng)目功能包含商場(chǎng)、物業(yè)、旋轉(zhuǎn)餐廳、觀光平臺(tái)和游樂(lè)設(shè)施等，總建筑面積19143 m2，建筑效果如圖1所示。
鋼塔主體結(jié)構(gòu)形式采用鋼結(jié)構(gòu)筒體結(jié)構(gòu)，筒身由鋼管混凝土柱及鋼支撐構(gòu)成，其平面為八邊形，共布置8個(gè)鋼管混凝土柱，豎向沿八邊形外圍布置跨層x形支撐作為主要抗側(cè)力體系?；A(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，地基采用素混凝土剛性樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案。工程地下室為混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)底部0.0～24.8 m(1～4層)范圍內(nèi)為商場(chǎng)和物業(yè)辦公區(qū)，其結(jié)構(gòu)形式采用鋼框架結(jié)構(gòu)。中間樓層(5～20層)主要為交通空間，核心筒區(qū)域共布置有兩座疏散樓梯和六部高速電梯。124～148.8 m為塔樓所在樓層(21～24層)，其中除塔樓底層為轉(zhuǎn)換桁架層外，其余3層為旋轉(zhuǎn)餐廳和觀光平臺(tái)。頂層(25層)主要功能為電梯機(jī)房層及轉(zhuǎn)換桁架層(用于支承頂部游樂(lè)設(shè)施)。結(jié)構(gòu)三維視圖如圖2所示。
擬建工程場(chǎng)地地震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為ii類場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期為0.35 s，抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)為丙類。地面粗糙度類別為b類。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0。
2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與措施
1)主塔高寬比大。若不考慮底部裙房，主體結(jié)構(gòu)的高寬比為153.4/16.5=9.3，同時(shí)結(jié)構(gòu)平面尺寸非均勻變化，塔身處平面寬度為16.5 m，而塔樓處平面為直徑40 m的圓。在抗風(fēng)計(jì)算中，塔樓部分風(fēng)荷載產(chǎn)生剪力約占整體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載下總剪力的45%，而塔樓部分風(fēng)荷載產(chǎn)生傾覆彎矩約占風(fēng)荷載作用下總傾覆彎矩的58%。這是由于塔樓所處位置高度較高，且擋風(fēng)面積大，因此風(fēng)荷載較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響十分顯著?？梢哉f(shuō)，在結(jié)構(gòu)高寬比較大的情況下，塔樓的存在放大了“大高寬比”這一不利影響。
為了減輕高寬比大的不利影響，在塔身底部設(shè)置四個(gè)伸臂支撐桁架，如圖3所示，每個(gè)伸臂桁架與兩根鋼管混凝土柱分別在5層和6層樓面處連接。伸臂桁架與鋼柱連接點(diǎn)的標(biāo)高對(duì)伸臂桁架所能發(fā)揮的作用有很大影響，在方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)比了伸臂桁架與鋼柱連接點(diǎn)位置不同時(shí)，伸臂桁架所受傾覆彎矩占總傾覆彎矩比值的情況，如表1所示?？芍?，隨撐點(diǎn)位置的提高，伸臂桁架所分擔(dān)的傾覆彎矩不斷增加，考慮伸臂支撐對(duì)建筑造型的影響，最終選用撐點(diǎn)位置為5層和6層樓面。
此外，針對(duì)觀光塔結(jié)構(gòu)底部受力較大的特點(diǎn)，本工程采用φ1250鋼管混凝土，并適當(dāng)加密塔身下部的豎向支撐。
2)核心筒樓面大開(kāi)洞。中間樓層(5～20層)典型平面布置如圖4所示，核心筒內(nèi)共有六個(gè)電梯井及兩座樓梯，樓面開(kāi)洞面積約為98 m2，超過(guò)對(duì)應(yīng)樓面面積的30%(68 m2)。樓面大開(kāi)洞導(dǎo)致樓板的面內(nèi)剛度大大降低，對(duì)于本結(jié)構(gòu)而言，核心筒樓面可視為筒體的“加勁橫隔板”，其強(qiáng)度和剛度對(duì)塔身的穩(wěn)定十分重要。
針對(duì)核心筒樓面大開(kāi)洞的特點(diǎn)，本工程在樓面內(nèi)布置水平鋼支撐，結(jié)合樓面鋼梁共同形成抵抗水平側(cè)力的一道通長(zhǎng)桁架。此外，對(duì)樓面鋼梁進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，將鋼梁布置為“井字梁”，梁與梁、梁與柱之間的連接均采用剛接。
由于本工程豎向支撐采用跨層x形中心支撐，根據(jù)規(guī)范規(guī)定：在支撐與橫梁相交處，梁的上下翼緣應(yīng)設(shè)置側(cè)向支撐。因此，結(jié)構(gòu)在邊框架梁中部均設(shè)置拉結(jié)點(diǎn)，如圖4所示，而樓梯外邊框架梁由于樓梯洞口的存在，無(wú)法直接從內(nèi)部拉結(jié)，故特設(shè)置兩道側(cè)向平面桁架，為鋼梁與支撐相交點(diǎn)提供側(cè)向拉結(jié)，保證跨層支撐的整體穩(wěn)定。
3)塔樓大懸挑。塔樓共4層，由核心筒往外懸挑長(zhǎng)度為11.75 m，通過(guò)設(shè)置21層鋼桁架轉(zhuǎn)換層，并在22～24層外圍布置24根通長(zhǎng)鋼柱，以將其荷載傳遞到21層鋼桁架轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換桁架典型布置如圖5所示，桁架在懸挑根部處高度為6.2 m，在懸挑端部處為5.58 m。懸挑桁架桿件均采用h型鋼，桁架節(jié)點(diǎn)均采用剛接連接，典型桿件截面詳見(jiàn)表2。
4)太空梭游樂(lè)設(shè)備錨固。太空梭游樂(lè)設(shè)備高度51 m，在結(jié)構(gòu)頂部153.4 m處與主體結(jié)構(gòu)連接，太空梭塔架平面為正八邊形，平面寬度為2.35 m，天空梭設(shè)備三維如圖6所示。在風(fēng)荷載作用下，太空梭基座除傳遞風(fēng)荷載剪力外，還承受塔架在風(fēng)荷載下產(chǎn)生的傾覆彎矩，而這一彎矩主要通過(guò)一拉一壓形成的力偶來(lái)抵抗。經(jīng)計(jì)算，太空梭設(shè)備的重力荷載約為59 kn/柱，而風(fēng)荷載下太空梭支座的豎向力最大為1 057 kn/柱。此外，太空梭基座還需具有足夠的抗變形能力，考慮51 m設(shè)備高度，基座微小的轉(zhuǎn)動(dòng)角都會(huì)放大太空梭頂部的位移，造成不利影響。因此，太空梭設(shè)備與主體結(jié)構(gòu)的連接需要足夠的強(qiáng)度和剛度，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的挑戰(zhàn)。
相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)了兩種用于天線與主塔結(jié)構(gòu)連接的方法，分別為插入式方案和桁架轉(zhuǎn)換方案。
插入式方案為將天線結(jié)構(gòu)(對(duì)本結(jié)構(gòu)而言為太空梭設(shè)備)鋼柱直接插入到混凝土核心筒，天線彎矩逐步由內(nèi)筒轉(zhuǎn)換到外筒，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造安全、可靠。然而，本結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)筒體結(jié)構(gòu)，無(wú)內(nèi)設(shè)混凝土或鋼結(jié)構(gòu)核心筒，內(nèi)部?jī)H有構(gòu)造用的電梯柱，無(wú)法承擔(dān)太空梭設(shè)備的荷載。
桁架轉(zhuǎn)換式方案為通過(guò)設(shè)置位于太空梭支座底部的轉(zhuǎn)換桁架層，將荷載直接傳遞到塔體外筒鋼管混凝土柱上，具有剛度大、變形小的特點(diǎn)。為避免桁架結(jié)構(gòu)層對(duì)建筑功能布置等造成過(guò)多影響，本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)巧妙地將轉(zhuǎn)換桁架層與電梯機(jī)房結(jié)合布置，即布置主要承重桁架于電梯機(jī)房側(cè)壁，再通過(guò)次桁架將太空梭支座荷載過(guò)渡到主桁架上，其結(jié)構(gòu)布置合理，同時(shí)充分利用了空間。因此，本工程設(shè)計(jì)采用桁架轉(zhuǎn)換式方案，轉(zhuǎn)換桁架層布置如圖7所示。
5)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的特殊處理。觀光塔結(jié)構(gòu)在塔樓二層和三層分別布置有旋轉(zhuǎn)餐廳，其外徑均為39.1 m，內(nèi)徑分別為29.1 m和25.4 m。旋轉(zhuǎn)設(shè)備主要包括阻燃板、阻燃板骨架、導(dǎo)軌板、支撐輪及預(yù)埋件等。平臺(tái)通過(guò)導(dǎo)軌支承于支撐輪上，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，達(dá)到旋轉(zhuǎn)的目的。
由于旋轉(zhuǎn)設(shè)備支座數(shù)量較多，間距較小，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需在支撐輪對(duì)應(yīng)位置設(shè)置專門的鋼梁，以達(dá)到支承目的。根據(jù)旋轉(zhuǎn)設(shè)備需要，以塔樓二層旋轉(zhuǎn)餐廳為例，在直徑31.4 m和36.7 m處分別設(shè)置一圈鋼梁，并通過(guò)焊接連接件與支撐輪相連。
值得注意的是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)留一定的平臺(tái)設(shè)備高度，塔樓二層的旋轉(zhuǎn)地面與普通地面建筑高差450 mm，考慮混凝土板厚150 mm及設(shè)備高度320 mm，則旋轉(zhuǎn)平臺(tái)鋼梁與非旋轉(zhuǎn)樓面鋼梁梁頂高差為620 mm。塔樓三層的旋轉(zhuǎn)地面則與普通地面標(biāo)高一致，因此鋼梁梁頂高差為170 mm。常見(jiàn)的處理方法為將局部次梁用擱置的方式連接在主梁上，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)鋼梁的高差。本工程結(jié)構(gòu)在塔樓二層旋轉(zhuǎn)餐廳處則是與轉(zhuǎn)換桁架結(jié)合布置，通過(guò)桁架高度的變化(6.2～5.58 m)使鋼梁標(biāo)高在旋轉(zhuǎn)餐廳范圍內(nèi)降低620 mm(圖5)。在塔樓三層處，通過(guò)設(shè)置變截面高度梁，即梁高分別為1000 mm和830 mm，達(dá)到標(biāo)高降170 mm的要求。變截面處節(jié)點(diǎn)做法如圖8所示。
在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，考慮荷載包括鋼結(jié)構(gòu)自重、恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、溫度作用和地震作用。觀光塔鋼結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算，其他設(shè)計(jì)荷載參考gb 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值如下。
1)恒荷載主要由樓面及墻體荷載組成，典型荷載取值為：混凝土樓面取5.0 kn/m2，花紋鋼板樓面取1.0 kn/m2，塔身裝飾格柵取0.6 kn/m2。
2)活荷載根據(jù)相應(yīng)樓面功能確定，典型荷載有：商場(chǎng)及觀光層等可能出現(xiàn)人員密集的情況取3.5 kn/m2，屋面(不上人)取0.5 kn/m2，設(shè)備荷載依據(jù)廠家資料確定。
3)風(fēng)荷載取值按規(guī)范從嚴(yán)執(zhí)行，基本風(fēng)壓按50年重現(xiàn)期風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(0.65 kn/m2)的1.1倍取值(為0.715 kn/m2)，地面粗糙度為b類。風(fēng)荷載體型系數(shù)分段取值，裙房及塔身分別按矩形及八邊形平面封閉式房屋的規(guī)定取值，塔樓處體型系數(shù)偏保守取為1.2。風(fēng)壓高度變化系數(shù)依據(jù)規(guī)范插值得到，風(fēng)振系數(shù)依據(jù)規(guī)范8.4.3條有關(guān)規(guī)定計(jì)算。本次驗(yàn)算共考慮0°，45°和90°三個(gè)風(fēng)向角，基本涵蓋了結(jié)構(gòu)的最不利角度。
4)基本雪壓按100年重現(xiàn)期取0.35 kn/m2。
5)溫度作用考慮鋼結(jié)構(gòu)受約束溫度為5～15 ℃，取結(jié)構(gòu)最大升溫30 ℃，結(jié)構(gòu)最大降溫-50 ℃。
4 結(jié)構(gòu)分析
采用sap2000有限元軟件進(jìn)行觀光塔鋼結(jié)構(gòu)的建模及分析設(shè)計(jì)，模型包含裙房及地下室，計(jì)算時(shí)考慮p-δ效應(yīng)，結(jié)構(gòu)三維模型如圖2所示。
4.1 模態(tài)分析
依據(jù)gb 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》：振型個(gè)數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量的90%所需的振型數(shù)。本工程經(jīng)多次試算，取前3000階振型，計(jì)算結(jié)果如表3所示，質(zhì)量參與系數(shù)均超過(guò)90%，滿足規(guī)范要求。
結(jié)構(gòu)前3階振型如圖9所示，由于塔為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，第一和第二振型周期基本相近，振動(dòng)模態(tài)均為整體沿水平方向的平動(dòng)，第三振型為整體的扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)以扭轉(zhuǎn)為主的第三振型周期t3與平動(dòng)為主的第一振型周期t1比值t3/t1=0.48<0.85，周期比滿足規(guī)范要求。
4.2 風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)分析
根據(jù)gb 50135—2019《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》3.0.10-3的有關(guān)規(guī)定，在風(fēng)荷載的動(dòng)力作用下，設(shè)有游覽設(shè)施或有人員在塔樓值班時(shí)，塔樓處振動(dòng)加速度幅值不應(yīng)大于200 mm/s2。根據(jù)委托方所提供條件，在舒適度驗(yàn)算時(shí)，風(fēng)速按6級(jí)風(fēng)取，其附加條件為“塔樓接待游客的高聳結(jié)構(gòu)可在風(fēng)荷載較大時(shí)，對(duì)游客關(guān)閉，可不考慮大風(fēng)(超過(guò)7級(jí))作用下，塔樓處的水平加速度(舒適度要求)的限制”。因此，本次驗(yàn)算的風(fēng)速按6級(jí)風(fēng)取值。經(jīng)計(jì)算，6級(jí)風(fēng)下塔樓處水平位移為69.6 mm，結(jié)構(gòu)自振周期t1=4.1928 s，計(jì)算得塔樓處振動(dòng)加速度幅值為 復(fù)雜高聳觀光塔鋼結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)_13mm/s2<200 mm/s2，滿足舒適度要求。
風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算中，選取以風(fēng)荷載為主的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合(1.0恒+0.7活+1.0風(fēng)+0.6×溫度作用)，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移δu/h計(jì)算結(jié)果如表4所示，其中，x向風(fēng)荷載控制的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下塔頂水平位移值最大，其值為446 mm，小于規(guī)范限值h/75(2045 mm) 。
4.3 地震作用下結(jié)構(gòu)分析
利用sap 2000有限元軟件對(duì)本工程的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體反應(yīng)譜抗震計(jì)算，并將其作為地震作用工況，參與荷載組合。選取地震作用為主的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合(1.0恒+0.5活+1.0地震作用)進(jìn)行地震作用下結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算，計(jì)算得結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)水平位移δu/h計(jì)算結(jié)果如表5所示，均滿足規(guī)范1/100限值要求。
4.4 結(jié)構(gòu)變形及桿件承載力計(jì)算
結(jié)構(gòu)在1.0d+1.0l工況下的豎向變形如圖10所示。最大撓度點(diǎn)位于裙房二層衛(wèi)生間樓面處，其值為71.3 mm，減去支座撓度及預(yù)起拱撓度后，其值為42.6 mm。鋼次梁跨度為15.418 m，依據(jù)gb 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》取其撓度限值為1/250，即[δu]=15418/250=61.7 mm>42.6 mm，撓度滿足要求。
轉(zhuǎn)換桁架最大撓度點(diǎn)位于懸挑最遠(yuǎn)端，其值為49.6 mm。懸挑根部鋼柱整體豎向變形為33.7 mm，則1.0d+1.0l工況下轉(zhuǎn)換桁架撓度值為15.9 mm。轉(zhuǎn)換桁架懸挑長(zhǎng)度為11.575 m，撓度限值取l/400，即[δu]=11575×2/400=57.9 mm>15.9 mm，撓度滿足要求。
構(gòu)件應(yīng)力比分布如圖11所示，各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力比均滿足規(guī)范的要求，絕大部分構(gòu)件應(yīng)力比在0.7以下，結(jié)構(gòu)具備一定的安全冗余度。其中，鋼管混凝土驗(yàn)算依據(jù)gb 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》第5章方法。該方法采用統(tǒng)一強(qiáng)度理論，將鋼管和混凝土組成的構(gòu)件視為一種新型組合材料，用組合性能指標(biāo)和構(gòu)件的整體幾何參數(shù)計(jì)算構(gòu)件承載力，計(jì)算得鋼管混凝土柱構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.888，滿足規(guī)范要求。
觀光塔結(jié)構(gòu)底部伸臂支撐桁架弦桿在端部匯交成一根鋼骨，該節(jié)點(diǎn)起著伸臂桁架與裙房連接的作用，其連接性能對(duì)伸臂桁架作用的發(fā)揮有很大影響。為了保證桁架端部的安全，同時(shí)考慮該節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜、交匯桿件多，此處的匯交節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。根據(jù)jgj/t 395—2017《鑄鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中可焊鑄鋼件材性選用要求，工作環(huán)境溫度低于-20 ℃的多管節(jié)點(diǎn)適宜采用g20 mn5鑄鋼材料，因此，本工程的鑄鋼件采用g20 mn5qt，材料號(hào)為1.6220。
采用autocad及solid works建立節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型，如圖12所示。為了避免桿件匯交處的應(yīng)力集中，在桿件匯交處建立倒角。采用abaqus有限元軟件進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)中該鑄鋼節(jié)點(diǎn)位于鋼管混凝土柱頂部，為方便節(jié)點(diǎn)連接，將鑄鋼件底部設(shè)置為半球形，連接時(shí)將其焊接在鋼管混凝土柱的柱頂端板上。為驗(yàn)證柱頂端板厚度是否滿足局部承壓要求，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，將端板連同鑄鋼節(jié)點(diǎn)一起計(jì)算分析。
有限元模型采用二折線的鋼材本構(gòu)模型。為了提高網(wǎng)格的邊界適應(yīng)性，網(wǎng)格劃分采用四面體單元，劃分網(wǎng)格時(shí)控制單元最大尺寸不超過(guò)鑄鋼件的最小壁厚。每個(gè)鑄鋼件都有相應(yīng)的主枝和分枝，有限元模型中將主枝的端部設(shè)為固定端，分枝端部完全自由，并在分枝端部施加相應(yīng)的荷載。
分析時(shí)采用靜力分析步，并考慮幾何非線性；由于節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力比較復(fù)雜，采用von mises屈服條件判斷節(jié)點(diǎn)是否失效。由節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力云圖13可以看出，模型中應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在端板底部，最大mises應(yīng)力為298.5 mpa；鑄鋼節(jié)點(diǎn)的最大mises應(yīng)力為279 mpa，小于鑄鋼材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，并且節(jié)點(diǎn)大部分區(qū)域的 mises應(yīng)力在80 mpa左右，節(jié)點(diǎn)完全處于彈性范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。
本觀光塔具有功能復(fù)雜，造型優(yōu)美等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在許多難點(diǎn)。為此介紹了觀光塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的特殊問(wèn)題及其措施，并對(duì)荷載取值、計(jì)算分析結(jié)果以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元展開(kāi)闡述。主要結(jié)論如下：
1)該觀光塔結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)筒體形式，形式簡(jiǎn)潔、傳力明確。根據(jù)本觀光塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取的措施能有效提升結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。
2)風(fēng)荷載在該觀光塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為控制荷載，地震作用影響較小。
3)該觀光塔的計(jì)算分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)具有足夠的承載力，滿足相關(guān)規(guī)范要求的各項(xiàng)指標(biāo)。