高速电梯试验塔结构设计概述
包联进
摘 要：本文主要对国内外高速电梯试验塔常用结构体系及特点进行介绍，列出了近年来建成或拟建的主要高速
电梯试验塔的高度及其采用的结构体系。对高速电梯试验塔结构设计中可采用风荷载优化措施及其效果
进行了阐述，文章最后对高速电梯试验塔结构主要设计特点进行了描述。
关键词：高速电梯、试验塔、超高层、横风效应 1,2包联进1,2，童骏1,2 （1.华东建筑设计研究总院，上海200002；2.上海超高层建筑设计工程技术研究中心，上海 200002）
1引言
近十几年来随着超高层建筑的迅速发展，高速电梯作为超高层建筑主要垂直运输手段在工程建设中得到广泛的应用，高速电梯试验塔作为高速电梯研发及验收的重要测试平台，近年来在国内外屡有设计建造，其建筑高度不断上升，电梯测试功能日驱复杂，对结构设计提出了一定的要求和挑战。下文将通过对国内外建成及拟建的高速电梯试验塔结构体系及其特点进行介绍，并对其设计过程中需引起注意的特点进行描述。
1结构体系的选择
1．1高速电梯试验塔常用结构体系及其特点
随着高速电梯技术的迅速发展，对电梯测试的要求不断提高，近二、三十年作为主要测试平台的高速电梯试验塔的高度也不断增长，从二十多年前建筑高度不到100m，逐渐过度到目前新建试验塔建筑高度大多超过200m的状况。
目前国内外工程实践中采用的结构体系主要有两种：钢筋混凝土筒体及钢结构支撑筒体。
1)钢筋混凝土筒体
通常超高层建筑的高速电梯井道均位于核心筒内部，超高层建筑的核心筒往往采用钢筋混凝土筒体结构，高速电梯试验塔采用钢筋混凝土筒体结构的形式有结构刚度大，侧向变形小，电梯井道设计相对简单的特点，同时钢筋混凝土筒体结构自重较大，引起的地震作用也较大。但结构自重大的特点也可避免或减小风荷载作用下核心筒角部墙肢产生拉力的可能性。
2)钢结构支撑筒体
钢结构支撑筒体结构在高速电梯试验塔结构设计中也有采用的实例，如国内的杭州西子电梯试验塔及日本三菱电梯试验塔，钢结构支撑筒体结构形式有结构自重轻、结构抗震性能好的特点。但其与钢筋混凝土筒体结构相比结构刚度小，侧向变形大，在设计实践中往往会在建筑内部设置阻尼器，以减小结构在风荷载作用下的变形及顶点加速度。
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAJ07B01）
作者简介：包联进（1971—），男，工学硕士，教授级高级工程师
1．2各结构体系工程设计实践中的应用
钢筋混凝土筒体结构及钢结构支撑筒体结构在设计及工程实践中均有采用，表1列出了近年来主要高速电梯试验台的建筑高度及其采用的结构体系。
表1主要电梯试验塔高度及结构体系
项目名称
上海日立电梯电梯试验塔
上海迅达电梯试验塔
吴江康力电梯试验塔
上海三菱电梯试验塔
西子电梯试验塔
昆山通力电梯试验塔
广州日立电梯试验塔
稻泽三菱电梯试验塔
水户日立电梯试验塔
建筑高度（m）173 200 268 236
208 235 269 173 213 结构体系 钢筋混凝土筒体结构 钢筋混凝土筒体结构 钢筋混凝土筒体结构 钢筋混凝土筒体结构 钢结构支撑筒体 钢筋混凝土筒体结构 钢筋混凝土筒体结构 钢结构支撑筒体 钢结构支撑筒体
图1 上海日立电梯试验塔 图2稻泽三菱电梯试验塔
从表1可以看出，大部分国内电梯试验塔采用了钢筋混凝土筒体结构，而建造在日本的电梯试验塔多采用钢结构支撑筒体的结构形式。国内电梯试验塔大多建造在东南沿海高风压、低烈度地震区，结构设计主要以抗风设计为主，因此多采用钢筋混凝土筒体结构；而日本城市大多位于沿海高风压及高烈度地震区，其结构设计需在抗震设计及抗风设计中取得平衡，因此多采用钢结构支撑筒体结构。
2风荷载优化措施
无论位于高烈度地震区还是低烈度地震区，风荷载作用均为高速电梯试验塔结构设计中的重要因素。随着电梯试验塔高度不断增高，其高宽比也不断增大，如拟建的广州日立电梯试验塔，其高宽比到达12.2。大高宽比的建筑体型对风荷载合理取值及建筑体型优化提出了一定的挑战。
2．1横风向作用
大高宽比建筑迎风面较小，其主要风荷载极有可能为横风向荷载控制。结构的横风向效应主要是
由于强风吹过高楼时，在高楼横风面形成不对称的气流漩涡，漩涡从两侧交替脱落，对高楼产生左右交替作用的横风向冲击力。如图3所示。当结构自振周期靠近气流漩涡周期性脱落的频率，结构的横风向共振效应成为结构设计中不可忽视的因素，在工程设计中应尽量避免此类共振效应的产生。
图3横风向漩涡脱落示意图
2．1建筑体型优化
由于高速电梯试验塔的试验功能要求，其建筑平面形状大多以矩形（正方形）为主，为了尽可能满足电梯试验井道数量的要求，大多电梯试验井道要求上下贯通，平面从下至上的变化较小，因此从电梯试验使用功能出发，标准立方柱体为电梯试验塔的最优方案。大部分建成的电梯试验塔也基本以立方柱体作为其基本外形。
横风向理论研究表明，一般情况下，高宽比大于9：1的标准立方柱体，在强风作用下往往会引起强烈的横风响应。且电梯试验塔内部非结构构件较少，阻尼比较低，其横风响应更为剧烈。例如上海日立电梯试验塔在建筑体型优化前，其横风响应约为顺风响应的3倍。
因此通过建筑体型优化降低结构横风响应成为于高速电梯试验塔设计过程中的重要环节。主要优化手段有以下几个方面：
1)调整高宽比
标准立方柱体影响横风向共振的主要参数为结构频率折算值n1，见式(1)。当结构频率折算值n1与标准方柱共振频率折算值接近时，容易引起结构的横风向共振。
n1f1B/UH（1）。
式中：f1为高层建筑横风向一阶频率
B为高层建筑的迎风面宽度
UH为高层建筑的顶部风速。
若将建筑物的高宽比减小，则一般情况下建筑物的迎风面宽度B会增加，同时建筑横风向一阶频率f也会相应增加，可有效调整结构频率折算值n1，以避开横风向共振区间，减小结构的横风响应。上海日立电梯试验塔在调整结构高宽比后，建筑迎风面宽度增加了约7%，横风向一阶频率f相应增加了10%，结构横风向相应约下降为原方案的1/3，大大减小了建筑物的风荷载作用。
2)平面角部的处理
对建筑平面角部进行凹角或削角的处理也是降低横风向作用的有效手段，但对于平面角部布置抗侧力竖向构件的结构体系对建筑平面进行凹角或削角处理后，可能引起建筑横风向一阶频率f的降低。风工程试验及理论研究表明相应建筑物边长8%～10%的凹角或削角为降低横风向响应的最优选择。
通过某拟建的电梯试验塔理论分析，相应于标准立方体方案，建筑平面削角10%及凹角10%的方案，横风向响应分别降低了25%及40%（图4），后期的风洞对比试验也验证了这一结论。
图4某电梯试验塔各方案基底横风向响应对比
3)立面退台变化
立面退台变化也是减小结构横风向响应的措施之一，高速电梯试验塔设计中可通过组合不同井道的不同提升高度要求来实现，如杭州西子电梯试验塔采用了此种方式减小结构的横风响应
图5杭州西子电梯试验塔
4)风穴的设置
在建筑立面上设置风穴在有效降低结构顺风向响应的同时也会降低结构的横风响应。一般风穴开在结构上部约1/2高度处至结构顶部最为有效。拟建的广州日立电梯试验塔及水户日立电梯试验塔均采用了此
类方法减小结构的风荷载作用。
图6广州日立电梯试验塔 图7水户日立电梯试验塔
以上各向降低横风向响应的措施也可组合使用，在满足电梯试验塔测试功能的前提下，达到降低风荷载作用的最优效果。降低结构横风向作用还有其他一些可采取的措施，如采用扭转、锥形体型等，但此类措施可能较难适应高度电梯试验塔测试功能要求。
3结构设计特点
高速电梯试验塔作为一类特种结构，结构设计中具有其自身一些特点。国内绝大部分高速电梯试验塔均采用了钢筋混凝土筒体结构，以下就对该类高速电梯试验塔结构设计中主要特点进行简单介绍。
3．1 楼板缺失的影响
高速电梯试验塔建筑平面主要布置有电梯井道、楼梯间及设备管井，其楼板开洞率往往大于30%，甚至超过50%，形成楼板不连续。
笔者曾对几个钢筋混凝土筒体结构体系电梯试验塔楼板面内应力进行分析，分析结果表明在水平地震作用下楼板面内应力均较低，不同于其他楼板缺失较严重的超高层建筑。此类现象可能有下几个原因：
1）钢筋混凝土筒体结构的电梯试验塔建筑质量主要由核心筒墙体自重构成，一般可占建筑质量的75%以上。
2）通常情况下，钢筋混凝土核心筒墙体的布置比较均匀。
3）电梯试验塔的层高较高，楼板层数较少，楼板起到的横隔作用相对较弱。
4）墙体自重引起的地震作用主要通过墙体自身及连梁传递至周边墙体，楼板在水平地震作用下起的协调作用不大。
因此钢筋混凝土筒体结构的电梯试验塔楼板缺失的情况对水平地震作用的影响较小，但对于钢结构支撑筒体结构情况可能略有不同。
3．2 墙肢稳定的验算
虽然如上文所述，钢筋混凝土筒体结构的电梯试验塔楼板缺失的情况对水平地震作用的影响较小，但由于楼板缺失严重且层高较高，墙肢稳定的验算应引起结构设计的重视，采用《高规》附录中的公式仅对有上下横隔固定的剪力墙提出了验算方法，较难对类似电梯试验塔的剪力墙肢稳定性进行合理判断，建议采取整体模型的弹性屈曲分析对剪力墙肢稳定进行细化分析。分析表明，剪力墙肢局部屈曲模态可能先于筒体整体屈曲模态出现，成为结构稳定的控制因素，需在结构设计中引起重视。
图8某电梯试验塔剪力墙肢局部屈曲模态
3．3角部墙肢拉力控制
由于结构横风向响应往往伴随顺风向响应，由于两个方向倾覆弯矩的同时作用，结构角部会承受较大的力，尤其在结构筒体基底角部在强风作用下可能会出现拉力。尤其对于钢筋混凝土筒体结构，应尽量避免角部墙肢出现拉力，因此从抗风设计角度出发可适当增加钢筋筒体周边墙体厚度，以增加结构自重，避免角部墙肢出现拉力。适当增加墙体厚度同时也有利于剪力墙肢局部稳定的控制。
4总结
本文通过对高速电梯试验塔常用结构体系特点、风荷载优化措施及结构设计特点的介绍，对高速电梯试验塔结构设计有以下结论及建议：
1）钢筋混凝土筒体结构、钢结构支撑筒体均为高速电梯试验塔常用的结构体系形式，并在国内外工程实践中均得到广泛实践。两者特点不同，可根据不同的荷载作用情况及使用要求进行选择。
2）横风向响应为高速电梯试验塔结构风荷载控制工况，结构方案设计中应采取如调整高宽比、平面角部处理，立面退台变化及设置风穴等有效措施对建筑体型进行优化，以降低风荷载作用。
3）采用钢筋混凝土筒体结构体系的高速电梯试验塔设计中应注意剪力墙肢局部稳定，并控制角部墙肢拉力的影响。
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