超高層鋼結(jié)構(gòu)抗震分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

張俏

摘要 超高層建筑目前越來越多的運(yùn)用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行修建，但是超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，相較于其他的建筑形式來說，在抗震性能設(shè)計(jì)上要求更為嚴(yán)格。本文針對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，并結(jié)合工程實(shí)例，來對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過本文的探究，能夠?yàn)橄嚓P(guān)的人員提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞 超高層建筑；鋼結(jié)構(gòu)；抗震性能；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) TU3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)2095-6363（2015）10-0078-02

超高層建筑是目前城市中的主要建筑形式，為了保障超高層建筑的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，在對(duì)超高層建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，多數(shù)采用是鋼結(jié)構(gòu)。這種超高層建筑對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求相對(duì)較為嚴(yán)格，尤其是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)更為嚴(yán)格，為了能夠使得超高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)完整性得到有效的保障，就需要采用合理的方式，來對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。下面本文就主要針對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)抗震分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的分析。

1 超高層鋼結(jié)構(gòu)抗震性能分析

針對(duì)不同的超高層建筑，采用的鋼結(jié)構(gòu)形式也會(huì)有所不同，而不同的鋼結(jié)構(gòu)形式也會(huì)具有不同的抗震性能。通常而言，采用混凝土修建的超高層建筑，具有較高的受壓能力，然而，這種建筑的抗拉性能卻較差，采用混凝土結(jié)構(gòu)修建的超高層建筑，受壓能力與抗拉能力之間的差距會(huì)在10倍左右。在地震發(fā)生后，尤其是大的地震發(fā)生時(shí)，會(huì)使得超高層建筑在巨大的沖擊作用下，混凝土結(jié)構(gòu)完整性很容易就被破壞，而且混凝土也會(huì)出現(xiàn)裂縫，而鋼結(jié)構(gòu)就不會(huì)出現(xiàn)這樣的問題，可以有效的保障超高層建筑的穩(wěn)定性。相較于超高層混凝土結(jié)構(gòu)，超高層鋼結(jié)構(gòu)的延展性能更加的優(yōu)良，而且可以承受巨大的地震波的影響和沖擊。

就性能來說，鋼材的抗壓性能、抗剪性能以及抗拉性能都較為突出，能夠?qū)⒌卣鹚斐傻臎_擊力盡可能的減小，從而使得超高層建筑保持穩(wěn)定。就這一方面來說，鋼結(jié)構(gòu)就是一種較為理想的超高層建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)的彈性以及塑性都較為突出，利用鋼結(jié)構(gòu)具有的較強(qiáng)塑性以及彈性來對(duì)地震波進(jìn)行消減以及吸收，就可以使得超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能得以提升。

與其他的超高層建筑結(jié)構(gòu)形式相比，鋼結(jié)構(gòu)本身的重量較輕，而且能夠有效的起到減震的效應(yīng)。根據(jù)上述的研究可以充分的了解到，鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能較為突出，在工業(yè)化高速發(fā)展的過程中，鋼結(jié)構(gòu)的環(huán)保性能也逐漸提升，其在設(shè)計(jì)的過程中，不會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境造成破壞和污染，在一定程度上可以有效的實(shí)現(xiàn)超高層建筑的綠化設(shè)計(jì)。由于鋼結(jié)構(gòu)具有如此多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，所以其在超高層建筑抗震設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

2 工程概況

某超高層工業(yè)廠房，在設(shè)計(jì)之初，其抗震等級(jí)被設(shè)計(jì)為7級(jí)，而且地震加速度也被設(shè)計(jì)為0.16g，在進(jìn)行地震設(shè)計(jì)的過程中，總共分為三個(gè)等級(jí)，這一工業(yè)廠房所占用的場(chǎng)地，主要為II類場(chǎng)地，在該工業(yè)廠房的周邊區(qū)域，設(shè)置了抗震帶，抗震類別為乙類。這一工業(yè)廠房總共有40層，地上37層，地下3層，廠房的總高度為125m，建筑總體面積為112543㎡。為保障該工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和安全性，該廠房采用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且在不同的樓層中，采用的鋼結(jié)構(gòu)類型也不同。該工業(yè)廠房中，1-13層主要采用的是鋼支撐結(jié)構(gòu)，而在14-37層，則采用的是鋼框架一鋼支撐結(jié)構(gòu)。在兩種鋼結(jié)構(gòu)交接的部分，主要應(yīng)用插入式柱腳對(duì)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)行支撐，起到荷載有效連接和傳遞的作用。但是該超高層工業(yè)廠房所建設(shè)的區(qū)域，很容易發(fā)生大型的地震，而廠房的地震設(shè)計(jì)無法滿足抗震要求，還需要進(jìn)一步的進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能夠有效的保障超高層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 超高層鋼結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)

一般來說，針對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，這樣就可以使得梁柱的穩(wěn)定性得到有效的保障，也可以使得超高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能得到進(jìn)一步的提升。

1）局部削弱措施。很多的超高層鋼結(jié)構(gòu)中，會(huì)采用梁柱焊栓節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這樣的節(jié)點(diǎn)形式通常被稱為狗骨頭節(jié)點(diǎn)，這樣的節(jié)點(diǎn)一般都是在梁上下進(jìn)行設(shè)置，并且會(huì)使得節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出一種圓弧的形狀，從而就會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)邊緣位置出現(xiàn)削弱的情況，這就使得鋼結(jié)構(gòu)自身的承載能力下降，也使得鋼結(jié)構(gòu)的韌性大打折扣，從而無法具備較高的抗震性能。因此，應(yīng)該對(duì)局部削弱采取有效的措施進(jìn)行解決，并且采用腹板開孔型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

這樣的節(jié)點(diǎn)形式在一定程度上可以使得鋼結(jié)構(gòu)的塑性得到有效的提升，也可以使得與節(jié)點(diǎn)距離相對(duì)較遠(yuǎn)的梁截面塑性也可以得到提升。在地震發(fā)生的時(shí)候，就會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)梁翼緣位置的鋼板不容易出現(xiàn)變形的情況，而且能夠有效的滿足抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求，即使在梁鋼板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部削弱的情況下，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的承重能力以及抗震能力也不會(huì)出現(xiàn)下降的問題。所以，針對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，合理的應(yīng)用腹板開孔型節(jié)點(diǎn)，可以有效的使得鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能得到提升，彌補(bǔ)局部出現(xiàn)的削弱情況。

2）加強(qiáng)措施。利用焊接的方式來對(duì)相關(guān)的輔助板塊進(jìn)行連接固定，并且合理利用螺栓將輔助板塊合理的設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)的主體部位，之所以這樣做，是為了能夠更好的提升鋼結(jié)構(gòu)的整體承受能力，使得梁翼緣的削弱問題可以得到有效的解決，輔助板與主體結(jié)構(gòu)之間連接的節(jié)點(diǎn)形式需要采用腋梁節(jié)點(diǎn)或者是加蓋板節(jié)點(diǎn)，這樣的節(jié)點(diǎn)形式才能夠使得超高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

其中，加蓋板節(jié)點(diǎn)的設(shè)定，不需要進(jìn)行梁的剛度以及強(qiáng)度的改變，只需要在梁的翼緣位置處進(jìn)行加蓋板設(shè)定，并針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)所能夠承擔(dān)的荷載能力進(jìn)行提升，保障梁柱節(jié)點(diǎn)能夠滿足相應(yīng)塑性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，保證節(jié)點(diǎn)能夠具有一定的延展性，這樣就不會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)因?yàn)榈卣鸬挠绊懚霈F(xiàn)損壞的情況。按照相應(yīng)的規(guī)定，超高層鋼結(jié)構(gòu)梁翼緣在進(jìn)行加蓋板焊接的過程中，需要對(duì)蓋板的厚度進(jìn)行控制，盡可能的將蓋板的厚度控制在8mm的范圍內(nèi)，同時(shí)，在對(duì)梁頂端的位置進(jìn)行焊接處理的時(shí)候，則需要先打開相應(yīng)的焊接缺口，然后進(jìn)行加蓋板的焊接，所選擇的家蓋板長(zhǎng)度需要控制在150mm以上，但不適宜超過180mm。

而梁腋節(jié)點(diǎn)抗震性能突出，具有良好的塑性能力，塑性旋轉(zhuǎn)角度由原來不足0.018rad可增至0.03rad以上，最大可達(dá)0.05rad。但是這種節(jié)點(diǎn)不能緩解梁翼緣中部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且梁腋的存在使得建筑設(shè)計(jì)也增加了困難。

4 結(jié)語

總而言之，超高層建筑在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選擇的時(shí)候，應(yīng)該選擇鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)的合理應(yīng)用，可以使得超高層建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性得到有效的保證，同時(shí)也可以使得超高層建筑具備良好的抗震性能，避免地震對(duì)超高層建筑造成破壞。而超高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能想要發(fā)揮出來，就需要采取有效的方法來對(duì)超高層鋼結(jié)構(gòu)抗震進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而滿足現(xiàn)今超高層鋼結(jié)構(gòu)抗震的標(biāo)準(zhǔn)要求，從而保障超高層建筑的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。