超高層建筑全鋼結(jié)構(gòu)與鋼—混結(jié)構(gòu)方案彈塑性的對比研究

馬高強(qiáng)

摘 要：高層建筑所選擇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無論是鋼-混結(jié)構(gòu)還是全鋼結(jié)構(gòu)，其目的都在于可以提高建筑的整體性能和剛度，從而避免在地震環(huán)境中對超高層建筑造成影響。本文在對兩種結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行研究中，利用仿真模擬軟件對兩種結(jié)構(gòu)下的超高層建筑彈塑性情況進(jìn)行分析，并從靜力彈塑性和雙向大振動(dòng)力時(shí)程兩個(gè)方面，對兩種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和彈塑性情況進(jìn)行對比分析，從而探討在超高層建筑中的結(jié)構(gòu)選擇。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；抗震設(shè)計(jì)；靜力彈塑性；雙向大振動(dòng)力時(shí)程

前言：

我國超高層建筑在進(jìn)行建筑強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)所處地區(qū)的地震情況設(shè)計(jì)專門的抗震設(shè)防等級。而在建筑結(jié)構(gòu)方面，不同的建筑結(jié)構(gòu)在面對地震時(shí)則有著不同的要求。其中全鋼結(jié)構(gòu)在超高層建筑中應(yīng)當(dāng)對小型地震和中型地震作出反應(yīng)，并控制建筑中的核心筒柱能夠保持彈性狀態(tài)，而鋼-混結(jié)構(gòu)則要求剪力墻能夠應(yīng)對地震并保證彈性狀態(tài)，保證核心筒柱不發(fā)生屈服。但是在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中二者卻存在一定的差別。

一、兩種建筑結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析

（一）全鋼結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析

本文首先選用仿真軟件程序，對超高層建筑全鋼結(jié)構(gòu)在面對地震時(shí)所表現(xiàn)出的自振周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而得到其在面對不同地震時(shí)所表現(xiàn)出的彈性力特征。在軟件分析當(dāng)中可以看到，超高層建筑全鋼結(jié)構(gòu)體系中x向的抗震性能控制點(diǎn)具有較高優(yōu)勢，同時(shí)在面對中震和大震時(shí)，由于控制點(diǎn)具有高的性鞥要求，因此結(jié)構(gòu)未能出現(xiàn)具有較高影響的倒塌破壞機(jī)制。其中塑性鉸出現(xiàn)在框架支撐以及核心筒相互連接的兩端位置，在這個(gè)位置之中，當(dāng)塑性鉸的數(shù)量達(dá)到一定水平之后，超高層建筑中的裙房頂會在層級范圍之內(nèi)形成“人”字形的核心筒支撐，從而使其迅速進(jìn)入到塑性發(fā)展階段。在這一階段當(dāng)中，結(jié)構(gòu)當(dāng)中的控制點(diǎn)定點(diǎn)開始出現(xiàn)位移增大現(xiàn)象，并促使塑性鉸的數(shù)量和速度大幅提升，最終達(dá)到第一道抗震防線的作用，保證抗震效能[1]。在仿真模型當(dāng)中，全鋼結(jié)構(gòu)所形成的塑性鉸會隨著發(fā)展，達(dá)到一定的數(shù)量和位移量，其中定點(diǎn)位移約為1.8-2.2m，此時(shí)。塑性鉸開始向上移動(dòng)，并移動(dòng)到加強(qiáng)層中的伸臂桁架位置后，對其進(jìn)行加強(qiáng)，此時(shí)，伸臂桁架柱子將具有更將的承載力。不過全鋼結(jié)構(gòu)所形成的塑性鉸具有較為柔軟的特征，其基本的周期約為十秒鐘左右，在具體的仿真模型中，這種塑性鉸難以應(yīng)對復(fù)雜的地震效應(yīng)。例如在地震等級超過了最大性能點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，超高層建筑會出現(xiàn)較大的層間位移角度，從而使其無法滿足抗震規(guī)范所要求的限值，此時(shí)性能點(diǎn)結(jié)構(gòu)由于處于彈性階段，因此需要更高的抗震能力用以保證超高層建筑性能。

（二）鋼-混結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析

與之相對的，本文在對鋼-混結(jié)構(gòu)的超高層建筑進(jìn)行研究中，同樣采用仿真模擬程序模型對其x向的靜力彈塑性情況進(jìn)行了分析，并對不同等級地震作用下結(jié)構(gòu)中的控制點(diǎn)性能進(jìn)行了比較。在仿真分析中發(fā)現(xiàn)，與全鋼結(jié)構(gòu)相同，鋼-混結(jié)構(gòu)同樣表現(xiàn)出了較高的性能特性，在多種等級的地震中未出現(xiàn)坍塌破壞機(jī)制。而與全鋼結(jié)構(gòu)不同的，鋼-混結(jié)構(gòu)中，超高層建筑的伸臂桁架采用的是混凝土材料的剪力墻設(shè)計(jì)，這種材料的剪力墻在剪應(yīng)力和拉應(yīng)力方面，往往高于混凝土自身強(qiáng)度，因此容易出現(xiàn)彎曲、切斜等裂縫。而在正常情況下，這種混凝土材料鋼-混結(jié)構(gòu)中，剪力墻并不會到達(dá)極限的壓應(yīng)變，因此不會造成混凝土壓碎。而在地震模擬中，受到第二個(gè)和第三個(gè)核心筒中的帽桁架混凝土的影響以及連梁的影響，其整體強(qiáng)度較為穩(wěn)定，未收到地震影響出現(xiàn)破壞和梁柱屈服現(xiàn)象。

二、兩種建筑結(jié)構(gòu)的雙向大振動(dòng)力時(shí)程分析

（一）全鋼結(jié)構(gòu)的雙向大振動(dòng)力時(shí)程分析

在仿真模擬中，采用GPK波以及KOBE波兩種波形，對全鋼結(jié)構(gòu)超高層建筑的雙向地震作用進(jìn)行評價(jià)，從而判斷在地震波影響之中的超高層建筑所表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化。經(jīng)過仿真模擬可以看到在層間位移角度的變化方面，GPK波影響最大，同時(shí)出現(xiàn)的層級較低，而KOBE波影響相對較小，影響出現(xiàn)的層級則較高。而在底層內(nèi)力變化方面，受到GPK波的影響，底層扭矩約為每米150000kN，而受到KOBE波的影響最大層扭矩僅為前者的一半。在綜合統(tǒng)計(jì)方面，地震作用下的全鋼結(jié)構(gòu)破壞主要體現(xiàn)在筒連接的鋼梁之上，且GPK波影響最為明顯。

（二）鋼-混結(jié)構(gòu)的雙向大振動(dòng)力時(shí)程分析

本文采用同樣的仿真分析方法對超高層建筑的鋼-混結(jié)構(gòu)進(jìn)行了雙向大振動(dòng)力時(shí)程分析，并統(tǒng)計(jì)了不同地震波狀態(tài)下超高層建筑結(jié)構(gòu)所發(fā)生的變化。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中筆者發(fā)現(xiàn)，與前者不同，鋼-混結(jié)構(gòu)中，混凝土的建筑結(jié)構(gòu)本身的性質(zhì)使得其在變化規(guī)律和位移規(guī)律方面表現(xiàn)得較為明顯，同時(shí)在伸臂桁架的位移中，由于其結(jié)構(gòu)本身的水平位移特征使得其擁有了一定的側(cè)向剛度[2]。層間位移角數(shù)據(jù)中，GPK波所造成的x向影響與全鋼結(jié)構(gòu)差距不大，而KOBE波的影響中，x向與y向所發(fā)生的位移角變化卻明顯低于全鋼結(jié)構(gòu)的變化數(shù)據(jù)，二者均表現(xiàn)在較高層級之中。雖然在高層位移角方面鋼-混結(jié)構(gòu)的位移角情況表現(xiàn)優(yōu)勢，但是在底層最大內(nèi)力方面，兩種地震波所造成的最大扭矩均達(dá)到了全鋼結(jié)構(gòu)兩倍的水平。

結(jié)論：

綜上所述，在仿真分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中可以發(fā)現(xiàn)，超高層建筑所選擇的兩種結(jié)構(gòu)模式在抗震方面均有著較為顯著的作用，但二者的差異主要表現(xiàn)在抗震過程中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞方面，由于結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)方式的不同，兩種結(jié)構(gòu)在彈塑性方面表現(xiàn)差距相對明顯，全鋼結(jié)構(gòu)在抗震中伸臂桁架的斜撐現(xiàn)象明顯，鋼梁容易出現(xiàn)屈服；而鋼-混結(jié)構(gòu)則受到混凝土材料作用，已形成剪力墻裂縫問題。

參考文獻(xiàn)

[1]李成飛，閆維明，周大興等.超高層建筑施工整體頂升模架體系地震響應(yīng)分析[J].工程抗震與加固改造，2018，40（01）：28-33.

[2]傅建波.超高層建筑鋼結(jié)構(gòu)伸臂桁架施工技術(shù)分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2018（01）：29-31.

（作者單位：中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司）