什么是塔式结构?

什么是塔式结构?

[拼音]：tashi jiegou

[外文]：tower structure

下端固定、上端自由的高耸构筑物。以自重及水平荷载为结构设计主要依据。

构造

按材料分主要有：钢塔、钢筋混凝土塔、预应力混凝土塔、木塔和砖石塔。

钢塔

常作成空间桁架 (图1)或空间刚架，立面为上小下大的斜线形、曲线形或折线形。横断面形状有三角形、正方形、六边形、八边形或其他多边形。塔的底盘宽度直接影响塔的外观造型、结构刚度、自振周期以及基础受力。当刚度要求较严或地基强度较差时，应采用较大的底盘宽度。在一般情况下，塔断面的边数越少，耗用钢材也越少，但当塔顶工艺设备有较大的迎风面时，其风荷载以及由此引起的风力矩对塔计算起控制作用，则塔身的边数多少对钢材用量影响不大。塔架腹杆形式有单斜杆式、交叉斜杆式、 K式和再分式等（图2）。其中交叉斜杆又有刚性和柔性之分，柔性斜杆可预加拉力或不预加拉力。预加拉力斜杆的长细比不受限制，能使结构紧凑、刚度大、耗钢量小，因此采用较多。

钢塔构件一般采用钢管、角钢、圆钢及其组合构件。钢管风阻小、刚性好、造型美观、节约钢材，但造价较贵。圆钢取材方便，挡风面积小，并可组合成刚度较大的三边形或四边形构件，以减少长细比，增加稳定性。但组合构件构造复杂、维修麻烦。塔架构件之间的连接可用法兰盘连接或直接焊接。除三边形断面的塔架外，需每隔一定高度(特别是在塔柱变坡处)设置水平横膈，以保证横断面的几何形状不变。横膈也有刚性和柔性之分，柔性交叉横膈常预加拉力。

钢塔的基础一般在每个塔脚下设一独立的钢筋混凝土基础，为平衡塔脚水平推力和加强整个基础的刚度及稳定，各独立基础间常用地梁连接。小型塔可做成整体基础，即整个塔下设置一个平板基础或环形基础。当地基较差时，常用桩基础。对于岩石地基，多用岩锚基础。

钢筋混凝土塔

主要有：构架式、圆筒式或其他形式。构架式多用预制的离心灌筑钢筋混凝土管或预应力混凝土管，用法兰盘、预埋件焊接或钢筋焊接成空间桁架或空间刚架，其外形与钢塔类似。也可在现场灌筑成空间刚架。圆筒形或多边形塔多用滑升模板施工，沿高度采用不同坡度，形成斜线形、曲线形立面。钢筋混凝土塔的钢筋可在竖向和环向预加应力，使结构紧凑、耗钢量小、刚度大并能防止筒壁开裂。圆筒壁厚由计算确定。为了减少温度应力，以壁厚较薄为好，但施工要求壁厚不小于120毫米。壁厚一般自上而下逐渐增大，可均匀变化或分段变化。较薄的筒壁多采用单层配筋，竖向钢筋靠近筒壁外侧放置；环向钢筋配置在竖向钢筋的外侧。较厚的筒壁则需双层配筋，内外两层钢筋之间用箍筋或S形钢筋固定。对预应力混凝土高塔，宜采用高标号混凝土和高强钢筋或钢绞线。

钢筋混凝土塔基础形式有圆板基础、环形基础、锥壳基础、桩基础等，多用钢筋混凝土和预应力混凝土做成。圆板基础适用于小型塔。锥壳基础可省混凝土，但需多用钢筋和人工，在地基较差或有地震的地区，最好采用桩基础。

荷载计算

见高耸结构。

静力计算构架式塔

可采用近似的平面法或精确的空间法计算。

平面法。将塔上荷载分解到各个平面桁架或平面刚架上。平面桁架用数解法或图解法求出各杆件内力。平面刚架用反弯点法或考虑侧移的弯矩分配法计算内力。然后把内力组合得到杆件总内力。由于在平面法中把空间结构简化成平面结构，忽略了塔面折角和杆件间变形协调关系，误差较大。

空间法。分为简化空间桁架法、分层空间桁架法、整体空间桁架法和整体空间刚架法。

（1）简化空间桁架法。最为简捷。计算斜杆时假定塔架横断面在水平荷载作用下只有水平位移而没有转角，横断面位移后周边不变形，并始终保持为一平面，各塔柱内力与距塔中心距离成正比，这样就简化了斜杆与塔柱之间的变形协调关系，可根据力学平衡条件建立方程式求出杆件内力。

（2）分层空间桁架法。也采用了横断面位移后周边不变形并保持为一平面的假定，每一层独立地按照超静定空间体系解算，根据变形协调关系和力学平衡条件列方程组，最后求出杆件内力。

（3）整体空间桁架法。以杆件为单元，用矩阵位移法或矩阵力法建立正则方程，解出各结点间相对位移或杆件内力，适用于任意区段数、任意边数、任意腹杆形式、任意结构外形的塔架，并可编制标准计算程序，由电子计算机解算。

（4）整体空间刚架法。也以杆件为单元，用矩阵位移法或矩阵力法建立正则方程，解算刚架杆件的内力。空间法考虑了荷载的空间作用、杆件变形协调关系和力学平衡条件，能较正确地反映塔的受力情况，得到比较精确的结果。

圆筒式塔

按偏心受压构件计算，并需考虑筒壁内外温差或单侧日照温差影响，验算其温度应力。此外，还要计算筒壁在风荷载和温度作用下的裂缝。由于钢筋混凝土塔自重较大，计算弯矩时应考虑塔的水平位移引起竖向荷载偏心的影响。对于较高的或在地震区的砖石塔，为了提高其抗裂性能，常在筒壁中设置钢筋或在外表面设置环形钢箍。

动力计算

塔在风荷载或地震作用下引起的振动，可按多自由度体系求其自振周期和相应的振型曲线。将塔划分成若干节段，每一节段作为一个质点，按力法或位移法列出多质点的自由振动方程，使方程的系数行列式为零，求得各个频率值及其振型曲线（见结构振动）。在地震作用下，可分别计算各个振型的地震内力，然后组合成各杆件或各断面的地震遇合内力。

刚度和稳定

塔架刚度根据工艺要求确定，塔顶最大水平位移一般不应超过塔高的百分之一。若塔顶有较大的竖向荷载，或塔身长细比较大，则需验算整体稳定。此外，还需验算杆件的局部稳定。在计算基础时，要考虑整个塔的倾覆稳定和滑移稳定（见结构稳定）。

施工方法

钢塔一般在工厂预制，在工地整体安装或分散安装。钢筋混凝土塔一般在现场灌筑，也可用预制构件现场安装。砖石结构多为现场砌筑。

整体安装

将工厂预制的构件运至安装点附近地面上卧拼。如塔体较小，可直接用起重机或把杆起吊就位。如塔体较大，则用卷扬机和把杆、钢绳、滑轮将平放的塔架绕铰支座竖起来。这种方法由于把拼装工作放到地面或低空进行，杆件的连接可用焊接，可节约法兰盘连接所耗钢材，但需要增加安装设备和施工费用。

分散安装

利用附在塔上的起重机，将杆件逐根或逐段吊装，杆件采用法兰盘连接。这种方法的高空工作量大，但设备简单、费用较省。

钢筋混凝土塔施工

构架式钢筋混凝土塔可用预制构件整体安装或分散安装，也可采用现场灌筑方法。圆筒式钢筋混凝土塔常采用滑升模板或翻模现场灌筑，也可用预制钢筋混凝土块现场组装。