某氣象雷達塔結(jié)構(gòu)方案分析

趙 斐，張龍生

（廣州市設計院集團有限公司 廣州 510620）

1 工程概況

某氣象雷達塔擬建于廣州市番禺區(qū)某山頂，雷達塔結(jié)構(gòu)主屋面高度為177 m，雷達球體高度11 m。雷達球頂離地面標高188 m。設置有6 層功能平面。首層位于155 m 標高，觀光層位于161.7 m 標高，展覽層位于166.1 m 標高，科研及設備層位于169.7 m 標高，177 m為屋面及雷達放置層（見圖1）。

圖1 雷達塔效果Fig.1 Renderings of Radar Towers

雷達塔平面形狀為圓形，結(jié)構(gòu)整體的高寬比比《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程：JGJ 3—2010》［1］控制值略大，但是核心筒的高寬比在文獻［1］允許范圍以內(nèi)，在不考慮特殊功能的情況下，屬于常規(guī)的高層結(jié)構(gòu)。

2 雷達塔結(jié)構(gòu)設計要求

本塔結(jié)構(gòu)功能為氣象雷達塔，為充分發(fā)揮雷達的性能，建筑物結(jié)構(gòu)必須滿足以下技術要求：

⑴抗風能力為平均風速60 m/s，陣風70 m/s不損壞；

⑵承受天線/天線座自重及天線罩的自重；

⑶承受天線罩的冰雪載荷235 kg/m2；

⑷建筑物（安裝上天線系統(tǒng)裝置后）諧振頻率＞1 Hz；

⑸ 安裝天線系統(tǒng)裝置的平臺塔的搖擺速度＜1 m/s（在風速＜25 m/s下）；

⑹安裝天線系統(tǒng)裝置的平臺塔的方位和仰角隨機傾斜小于0.02°（在風速＜25 m/s 下）；小于0.075°（在風速＜50 m/s下）；

2.1 地震作用

工程所在區(qū)域抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度峰值0.1g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，阻尼比為0.05［2］。

2.2 風荷載取值

項目所在地區(qū)基本風壓為0.50 kN/m2，地面粗糙度為B 類［3］。該項目風荷載較為重要［4-6］，外筒風荷載按雷達技術要求，按平均風速60 m/s，陣風70 m/s不損壞計算。平均風速60 m/s，陣風70 m/s 對應的風壓分別為2.350 kN/m2，3.063 kN/m2。 根據(jù)雷達技術要求，校核風速為25 m/s 和50 m/s 時的位移。按每根桿單獨計算風荷載，桿件體型系數(shù)取1.0，雷達天線罩體型系數(shù)取1.3，內(nèi)筒體型系數(shù)取1.4，風載取值如表1所示。

表1 風載取值Tab.1 Wind Loads Are Taken

2.3 特殊重量

根據(jù)《CINRAD/SA-D 雷達水泥平臺接口架設安裝要求》，特殊荷載：雷達天線系統(tǒng)包括天線罩、天線、天線座（其重量見表2），總重量為16 588 kg。由于冰雪粘在天線罩表面而產(chǎn)生，天線罩可以承受最大載荷為235 kg/m2，天線罩按半球且不均勻分布計算，冰雪載荷約為26 t。

表2 雷達主要部件重量Tab.2 The Weight of the Main Components of the Radar

3 結(jié)構(gòu)方案比選

為滿足雷達系統(tǒng)需要，結(jié)構(gòu)不僅需要具備足夠的剛度，而且自振頻率也要大于1 Hz［7-10］。受場地條件限制，塔身底部直徑不能太大，限制了塔身剛度的增加，為了增大雷達塔結(jié)構(gòu)的自振頻率，最經(jīng)濟有效的辦法就是減少結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。據(jù)此，雷達塔選取方案1［11］（混凝土雙核心筒結(jié)構(gòu)）、方案2（鋼結(jié)構(gòu)雙核心筒）、方案3（混凝土內(nèi)筒+鋼結(jié)構(gòu)外筒）進行比較分析（見圖2）。

圖2 雷達塔方案1～3示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Radar Tower Scheme 1～3

⑴方案1：底部直徑約68 m，最窄部位直徑約為42 m，頻率1.033 5 Hz。該方案建筑效果不通透，底座尺寸突出用地紅線。

⑵方案2：鋼結(jié)構(gòu)外框筒由12 根鋼管柱組成，最大直徑約為2.5 m，鋼柱之間設置圓環(huán)和斜撐，以保證其空間作用效果，內(nèi)筒采用鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)外筒之間設置水平支撐，以保證內(nèi)外筒之間空間聯(lián)合作用和外筒穩(wěn)定性。內(nèi)筒直徑約為12 m（軸線）。鋼框架底部直徑約為50 m（軸線距離，下同），頂部直徑約為54 m，中間最窄處直徑約為38 m，結(jié)構(gòu)頻率1.006 3 Hz，但用鋼量約為14 780 t，造價按1.2 萬/t 計算，總造價約1.77 億，突破了目標成本。

⑶方案3：外框筒由8 根鋼管柱組成，最大直徑1.8 m，標高145 m以下灌C60混凝土，鋼柱之間設置圓環(huán)和斜撐，以保證其空間作用效果，鋼框架底部直徑約為38 m（軸線距離，下同），頂部直徑約為20 m，雷達罩位置縮為7 m，結(jié)構(gòu)用鋼量約為3 565 t（僅桿件，不含加勁板等），混凝土用量約為5 282 t，可以滿足用地紅線和造價的要求。該方案解決了雷達塔技術要求和其他使用功能和垂直交通之間的矛盾，而且經(jīng)濟性也較其他兩個方案好。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 結(jié)構(gòu)描述

擬采用方案3，即混凝土內(nèi)筒+鋼結(jié)構(gòu)外筒（見圖3，塔冠見圖4）；外框筒雷達塔結(jié)構(gòu)（雷達機房層、屋面及雷達放置層）與內(nèi)框筒完全脫開，確保相互之間不會發(fā)生碰撞，結(jié)構(gòu)設縫位置平面在1 環(huán)與2 環(huán)之間的位置，立面也是完全貫穿觀光層（155 m），展覽層（161.7 m），科研及設備層（166.1 m），對應的在1 環(huán)與2環(huán)之間的位置。

圖3 混凝土內(nèi)筒+鋼結(jié)構(gòu)外筒Fig.3 Concrete Structure Core Tube + Steel Structure Outer Cylinder

圖4 塔冠結(jié)構(gòu)Fig.4 Tower Crown Structure

4.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

結(jié)構(gòu)分析基于ANSYS、SAP2000，設備重量采用節(jié)點質(zhì)量輸入，同時考慮風、雪及雷達工作時動荷載，分別對外框筒、內(nèi)筒計算分析。

4.2.1 外框筒結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

⑴恒載與雪載作用下，外框筒豎向位移最大值為7.3 mm，桿件最大應力為25.1 MPa；

⑵豎向荷載+風荷載（60 m/s 風速）共同作用下結(jié)構(gòu)最大水平位移為287.6 mm，為結(jié)構(gòu)高度的1/615；桿件最大應力為134.9 MPa。

⑶豎向荷載+風荷載（70m/s 風速）作用下，對結(jié)構(gòu)進行不破壞驗算，材料和荷載取標準值，結(jié)構(gòu)最大水平位移399 mm，為結(jié)構(gòu)高度的1/443；桿件最大應力為133.5 MPa。

⑷風荷載（25 m/s風速）作用下，計算傾角0.016°，方位角約為0°，均小于0.02°，滿足正常使用要求。

⑸風荷載（50 m/s 風速）作用下，計算傾角0.068 8°，方位角約為0°，均小于0.075°，滿足正常使用要求。

⑹線性及非線性整體穩(wěn)定性分析

線性計算，整體最小臨界荷載為外載的33倍。線性穩(wěn)定分析主要為：

①（1.0恒+1.0雪）屈曲模態(tài)

②（恒+風（60m/s 風速））第7 階屈曲模態(tài)（桿件失穩(wěn)）

③（恒+風（60m/s 風速））第1 階屈曲模態(tài)（局部失穩(wěn)）

④（恒+風（70m/s 風速））第1 階屈曲模態(tài)（桿件失穩(wěn)）

⑤（恒+風（70m/s 風速））第9 階屈曲模態(tài)（局部失穩(wěn)）

非線性穩(wěn)定分析：采用恒載與風載（風速70 m/s）組合，桿件的初始缺陷為第1階屈曲模態(tài)，最大值為桿長的1/300，整體缺陷取自第9 階屈曲模態(tài)，最大值為該位置直徑的1/300，計算至所實際荷載的30倍，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的最小臨界荷載為實際荷載的24倍以上。

⑺考慮頂部雷達線性及非線性屈曲分析

底部固定，8根柱頂部施加豎向單位力，線性屈曲分析：①一階屈曲模態(tài)（塔頂局部失穩(wěn)）；②六階屈曲模態(tài)（塔頂局部失穩(wěn)）。

非線性屈曲分析：柱頂部施加豎向荷載，初始缺陷取第1 階和第6 價屈曲模態(tài)，最大值分別為直徑和高度的1/300，考慮幾何非線性，計算得到穩(wěn)定臨界荷載大于216 000 kN。

⑻外框柱計算長度系數(shù)

整體分析臨界荷載為216 000 kN，對比單根柱兩端鉸支模型臨界荷載3 084 kN，增大70 倍，計算長度系數(shù)為0.119，對應全高為177 m 的雷達塔，柱的計算長度為21.15 m。

⑼外框筒抗震及模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)第一階振型頻率為1.023 8 Hz，滿足雷達系統(tǒng)技術要求。結(jié)構(gòu)前10 階振型頻率分別為1.023 8、1.023 8、2.208 3、2.268 8、2.268 8、2.298 2、2.301 9、2.872 8、2.887 7、3.821 6 Hz，主要模態(tài)振型如圖5所示。

圖5 主要振型分布Fig.5 Pattern of Major Mode Patterns

雙向地震作用下，塔頂?shù)淖畲笪灰茷?5 mm，鋼構(gòu)件最大應力比為0.76。

⑽頂部平臺的搖擺速度分析

因缺氣象雷達塔風時程資料，方案階段計算位移響應的風荷載變化采用以下比較極端的情況估算：氣象塔受風速為25 m/s 時的恒定風荷載作用直至位移最大點（約為0.48 s），此時刻后風荷載瞬間消失直至回彈達到最大位移點（約為0.99 s），再次施加風速為25 m/s時的恒定風荷載，加載時程如圖6所示；速度計算結(jié)果如圖7所示，計算結(jié)果表明，頂部平臺擺動的最大速度為0.821 m/s，滿足使用要求。

圖6 加載時程Fig.6 Load the Time History

圖7 速度計算結(jié)果Fig.7 Speed Calculation Result

4.2.2 內(nèi)筒結(jié)構(gòu)分析

基于YJK 軟件，對內(nèi)筒進行彈性分析，考慮地震偶然偏心、扭轉(zhuǎn)藕聯(lián)以及施工模擬加載的影響，內(nèi)筒整體指標計算結(jié)果如表4所示。

計算結(jié)果表明，內(nèi)筒整體指標均滿足文獻［1］限值要求，內(nèi)筒滿足承載力要求，其中結(jié)構(gòu)剛重比小于2.7，滿足整體穩(wěn)定性要求，但需考慮重力二階效應。

表3 整體計算指標Tab.3 Overall Calculation Indicator

5 結(jié)論

本文基于某氣象塔結(jié)構(gòu)方案分析，主要得出以下結(jié)論：

⑴通過結(jié)構(gòu)方案比選，本工程擬采用方案3，即混凝土內(nèi)筒+鋼結(jié)構(gòu)外筒。

⑵通過對外框筒分析，結(jié)構(gòu)滿足各風速工況下的抗風能力；滿足結(jié)構(gòu)特殊重量及冰雪荷載下承載力要求；外框筒滿足整體穩(wěn)定性要求；結(jié)構(gòu)的諧振頻率、平臺塔的搖擺速度及角度滿足設計指標要求。

⑶通過內(nèi)筒整體指標分析，內(nèi)筒較為規(guī)則，內(nèi)筒滿足承載力要求。