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【摘 要】在地震灾区，通信是抢险救灾的必要手段，因此通信设施要求比一般建（构）筑物具有更强的抗震能力。作为通信设施主要载体的通信铁塔，由于需要在塔顶悬挂通信天线以及维护等工艺要求，往往在塔的上部设置重量及挡风面积都相对较大的维护平台，铁塔这一“头重脚轻”的特点导致通信铁塔的抗震设计要求相对较高。
【关键词】建筑物顶；通信铁塔；地震设计
一、建筑物顶建设通信铁塔的优势
（一）节约建筑用地。常规的地面铁塔塔脚根开尺寸（即基础间距离）约为铁塔高度的1/6-1/8，再考虑基础尺寸、与原有建筑物的距离限制等因素，征地面积往往在100m2以上，而在已有建筑物上加建铁塔就不需要进行征地。
（二）降低基础造价。由于屋顶上铁塔高度低于地面塔，因此在风荷载、地震荷载的作用下，产生的塔脚内力明显小于地面塔，相应地可大幅降低基础造价，且屋顶上的铁塔可充分利用塔下建筑物的自身重量，从而满足铁塔的抗拔要求。
（三）节约钢材用量。铁塔随着高度增大，其钢材用量将大幅增加，以一座40m高的地面塔为例，其重量约为14-15t，而相同条件下一座20m高的加建在建筑物上的20m铁塔的重量仅为5-6t。
（四）降低结构位移变形。地面塔属柔性高耸钢结构，塔顶位移变形相对较大，而屋顶铁塔的下部建筑物通常采用刚度较大的框架或框剪结构，且屋顶铁塔本身的高度也不大，因此在风荷载作用下的塔顶位移变形将明显减小，可确保通信质量。
二、通信铁塔工程抗震分析方法
（一）简化计算方法。简化的做法是将铁塔视为突出建筑物顶的一个质点，采用类似于屋顶楼梯间、天面水箱的计算方法，将主体结构与铁塔结构分离，分别进行结构计算。铁塔在计算地震作用时乘以一个放大系数以考虑其鞭梢效应。
由于铁塔属于柔性的高耸结构，不能完全假定为一个质点，且该法未考虑主体结构与顶部铁塔之间的动力相互作用，使得放大系数的选取具有一定随意性和保守性，因此难以保证计算结果的准确性。
（二）有限元时程分析法。为了得到建筑物顶的铁塔的准确地震反应，其中的一种方法是利用大型的有限元专业分析软件，针对每个具体工程，按照其铁塔及建筑物的实际参数，建立钢结构和钢筋混凝土结构共同作用的组合结构的有限元模型。
在建模的过程中，需要准确计算这种组合结构的阻尼比，选取合适的地震波，对组合结构进行每一时刻的时程分析计算，求解大量的带有阻尼的振动方程，并对直接计算结果进行大量的数据转换和后处理工作，才可以精确地计算出铁塔在地震作用下每一时刻的内力和位移。显然，这些工作需要较高素质的专业工程设计人员花费大量的时间才可以完成，无法满足时间紧迫、数量庞大的通信工程基站建设进度要求。
（三）楼面反应谱法。设置在建筑物顶的铁塔的地震反应特征，不仅取决于地震时的地面运动，而且与建筑物和铁塔本身的动力特征有关，因此采用建筑结构抗震规范中的地面反应谱的有关规定来演算建筑物顶的铁塔的抗震性能是不合适的，此时可采用楼面反应谱的方法来替代地面反应谱，楼面反应谱是指楼面质点加速度反应谱。
根据GB50011-2001《建筑抗震设计规范》的相关规定，对于屋面上加建的铁塔，抗震设计时应采用第2代楼面谱计算，可综合考虑铁塔与建筑物的质量比、谐振、阻尼比不同性等因素，反映出铁塔与建筑物的相互动力作用，从而较准确地计算出屋顶铁塔的地震效应。采用此法时，铁塔受到的水平地震作用力可按下式计算：
F=ghbsG
式中：F为沿最不利方向作用于铁塔的水平地震力标准值；g为铁塔结构功能系数，反映铁塔的重要性；h为铁塔结构类别系数，反映铁塔的动力特性对地震反应的影响；bs为铁塔的楼面反应谱值，取决于设防烈度、场地条件、铁塔与建筑物之间的周期比、质量比和阻尼，以及铁塔在建筑物的支撑位置、数量和连接性质等；G为铁塔的重力。
而一套完整的楼面反应谱的获取也同样需要经过大量的有限元时程分析计算，数据的获取及归并等工作。同样，该法也无法满足紧迫的通信工程进度要求。
三、通信铁塔的抗震设计
（一）避免建筑物顶铁塔的基本自振周期与建筑物的相近。在进行建筑物顶铁塔设计时，应尽量避免出现建筑物顶的铁塔的基本自振周期与建筑物的基本自振周期相近，否则在地震力的作用下，两者会产生明显的共振响应，铁塔经过建筑物结构的放大作用后将产生强烈的地震反应，塔身、铁塔与建筑物的连接处、建筑物本身可能发生较严重破坏。
（二）尽量减少塔上部的平台数量和重量。对于建筑物顶加建铁塔，设计时应尽量减少塔上部的平台数量和重量，一方面可以降低塔身的基本自振周期，可避免与建筑物发生共振，另一方面可以有效地减小平台的地震力对塔脚造成的倾覆总弯矩，减小铁塔对连接处及建筑物本身的影响。
（三）重视本风压较低但抗震设防基本烈度较高地区铁塔的抗震设计。在基本风压较低但抗震设防基本烈度较高的地区，地震作用往往会替代风力作用，成为建筑物顶铁塔的计算控制荷载，设计时应充分重视这种类型铁塔的抗震设计。
（四）重点考虑铁塔与房屋的相互作用。当铁塔与房屋相比，质量、刚度和高度较小时，可考虑采用规范相关的简化方法；但当铁塔的高度较大时，则应充分考虑铁塔与房屋的相互作用。
四、结语
综上所述，在通信铁塔设计阶段应采取合理布置通信铁塔在建筑物平面的位置、优化铁塔塔身结构等措施，尽量减小铁塔在风荷载、地震荷载作用下产生的塔脚力，也可在塔脚设计时采取一些耗能减震措施，从而减小对已有建筑物的影响。对于铁塔—建筑物结合体这种相对特殊的结构体系，在铁塔抗震设计时应充分考虑已有建筑物对通信铁塔造成的地震效应放大作用，从而准确计算铁塔的地震反应。
参考文献
[1] 陈道政.高楼顶钢结构塔楼的简化计算及设计建议[J].特种结构，2004（02）.
【关键词】建筑物顶；通信铁塔；地震设计
一、建筑物顶建设通信铁塔的优势
（一）节约建筑用地。常规的地面铁塔塔脚根开尺寸（即基础间距离）约为铁塔高度的1/6-1/8，再考虑基础尺寸、与原有建筑物的距离限制等因素，征地面积往往在100m2以上，而在已有建筑物上加建铁塔就不需要进行征地。
（二）降低基础造价。由于屋顶上铁塔高度低于地面塔，因此在风荷载、地震荷载的作用下，产生的塔脚内力明显小于地面塔，相应地可大幅降低基础造价，且屋顶上的铁塔可充分利用塔下建筑物的自身重量，从而满足铁塔的抗拔要求。
（三）节约钢材用量。铁塔随着高度增大，其钢材用量将大幅增加，以一座40m高的地面塔为例，其重量约为14-15t，而相同条件下一座20m高的加建在建筑物上的20m铁塔的重量仅为5-6t。
（四）降低结构位移变形。地面塔属柔性高耸钢结构，塔顶位移变形相对较大，而屋顶铁塔的下部建筑物通常采用刚度较大的框架或框剪结构，且屋顶铁塔本身的高度也不大，因此在风荷载作用下的塔顶位移变形将明显减小，可确保通信质量。
二、通信铁塔工程抗震分析方法
（一）简化计算方法。简化的做法是将铁塔视为突出建筑物顶的一个质点，采用类似于屋顶楼梯间、天面水箱的计算方法，将主体结构与铁塔结构分离，分别进行结构计算。铁塔在计算地震作用时乘以一个放大系数以考虑其鞭梢效应。
由于铁塔属于柔性的高耸结构，不能完全假定为一个质点，且该法未考虑主体结构与顶部铁塔之间的动力相互作用，使得放大系数的选取具有一定随意性和保守性，因此难以保证计算结果的准确性。
（二）有限元时程分析法。为了得到建筑物顶的铁塔的准确地震反应，其中的一种方法是利用大型的有限元专业分析软件，针对每个具体工程，按照其铁塔及建筑物的实际参数，建立钢结构和钢筋混凝土结构共同作用的组合结构的有限元模型。
在建模的过程中，需要准确计算这种组合结构的阻尼比，选取合适的地震波，对组合结构进行每一时刻的时程分析计算，求解大量的带有阻尼的振动方程，并对直接计算结果进行大量的数据转换和后处理工作，才可以精确地计算出铁塔在地震作用下每一时刻的内力和位移。显然，这些工作需要较高素质的专业工程设计人员花费大量的时间才可以完成，无法满足时间紧迫、数量庞大的通信工程基站建设进度要求。
（三）楼面反应谱法。设置在建筑物顶的铁塔的地震反应特征，不仅取决于地震时的地面运动，而且与建筑物和铁塔本身的动力特征有关，因此采用建筑结构抗震规范中的地面反应谱的有关规定来演算建筑物顶的铁塔的抗震性能是不合适的，此时可采用楼面反应谱的方法来替代地面反应谱，楼面反应谱是指楼面质点加速度反应谱。
根据GB50011-2001《建筑抗震设计规范》的相关规定，对于屋面上加建的铁塔，抗震设计时应采用第2代楼面谱计算，可综合考虑铁塔与建筑物的质量比、谐振、阻尼比不同性等因素，反映出铁塔与建筑物的相互动力作用，从而较准确地计算出屋顶铁塔的地震效应。采用此法时，铁塔受到的水平地震作用力可按下式计算：
F=ghbsG
式中：F为沿最不利方向作用于铁塔的水平地震力标准值；g为铁塔结构功能系数，反映铁塔的重要性；h为铁塔结构类别系数，反映铁塔的动力特性对地震反应的影响；bs为铁塔的楼面反应谱值，取决于设防烈度、场地条件、铁塔与建筑物之间的周期比、质量比和阻尼，以及铁塔在建筑物的支撑位置、数量和连接性质等；G为铁塔的重力。
而一套完整的楼面反应谱的获取也同样需要经过大量的有限元时程分析计算，数据的获取及归并等工作。同样，该法也无法满足紧迫的通信工程进度要求。
三、通信铁塔的抗震设计
（一）避免建筑物顶铁塔的基本自振周期与建筑物的相近。在进行建筑物顶铁塔设计时，应尽量避免出现建筑物顶的铁塔的基本自振周期与建筑物的基本自振周期相近，否则在地震力的作用下，两者会产生明显的共振响应，铁塔经过建筑物结构的放大作用后将产生强烈的地震反应，塔身、铁塔与建筑物的连接处、建筑物本身可能发生较严重破坏。
（二）尽量减少塔上部的平台数量和重量。对于建筑物顶加建铁塔，设计时应尽量减少塔上部的平台数量和重量，一方面可以降低塔身的基本自振周期，可避免与建筑物发生共振，另一方面可以有效地减小平台的地震力对塔脚造成的倾覆总弯矩，减小铁塔对连接处及建筑物本身的影响。
（三）重视本风压较低但抗震设防基本烈度较高地区铁塔的抗震设计。在基本风压较低但抗震设防基本烈度较高的地区，地震作用往往会替代风力作用，成为建筑物顶铁塔的计算控制荷载，设计时应充分重视这种类型铁塔的抗震设计。
（四）重点考虑铁塔与房屋的相互作用。当铁塔与房屋相比，质量、刚度和高度较小时，可考虑采用规范相关的简化方法；但当铁塔的高度较大时，则应充分考虑铁塔与房屋的相互作用。
四、结语
综上所述，在通信铁塔设计阶段应采取合理布置通信铁塔在建筑物平面的位置、优化铁塔塔身结构等措施，尽量减小铁塔在风荷载、地震荷载作用下产生的塔脚力，也可在塔脚设计时采取一些耗能减震措施，从而减小对已有建筑物的影响。对于铁塔—建筑物结合体这种相对特殊的结构体系，在铁塔抗震设计时应充分考虑已有建筑物对通信铁塔造成的地震效应放大作用，从而准确计算铁塔的地震反应。
参考文献
[1] 陈道政.高楼顶钢结构塔楼的简化计算及设计建议[J].特种结构，2004（02）.