超高層鋼結構抗震分析與優化設計

張俏

摘要 超高層建筑目前越來越多的運用鋼結構進行修建，但是超高層建筑鋼結構的設計，相較于其他的建筑形式來說，在抗震性能設計上要求更為嚴格。本文針對超高層鋼結構抗震性能進行了簡要的分析，并結合工程實例，來對超高層鋼結構抗震性能進行優化設計，通過本文的探究，能夠為相關的人員提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞 超高層建筑；鋼結構；抗震性能；優化設計

中圖分類號 TU3

文獻標識碼A

文章編號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度及穩定性，在對超高層建筑進行結構設計的過程中，多數采用是鋼結構。這種超高層建筑對于鋼結構設計的要求相對較為嚴格，尤其是對鋼結構的抗震設計更為嚴格，為了能夠使得超高層建筑的鋼結構完整性得到有效的保障，就需要采用合理的方式，來對超高層鋼結構抗震性能進行優化設計。下面本文就主要針對超高層鋼結構抗震分析與優化設計進行深入的分析。

1 超高層鋼結構抗震性能分析

針對不同的超高層建筑，采用的鋼結構形式也會有所不同，而不同的鋼結構形式也會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，采用混凝土結構修建的超高層建筑，受壓能力與抗拉能力之間的差距會在10倍左右。在地震發生后，尤其是大的地震發生時，會使得超高層建筑在巨大的沖擊作用下，混凝土結構完整性很容易就被破壞，而且混凝土也會出現裂縫，而鋼結構就不會出現這樣的問題，可以有效的保障超高層建筑的穩定性。相較于超高層混凝土結構，超高層鋼結構的延展性能更加的優良，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，能夠將地震所造成的沖擊力盡可能的減小，從而使得超高層建筑保持穩定。就這一方面來說，鋼結構就是一種較為理想的超高層建筑設計結構形式，鋼結構的彈性以及塑性都較為突出，利用鋼結構具有的較強塑性以及彈性來對地震波進行消減以及吸收，就可以使得超高層建筑鋼結構的抗震性能得以提升。

與其他的超高層建筑結構形式相比，鋼結構本身的重量較輕，而且能夠有效的起到減震的效應。根據上述的研究可以充分的了解到，鋼結構的抗震性能較為突出，在工業化高速發展的過程中，鋼結構的環保性能也逐漸提升，其在設計的過程中，不會對周邊的環境造成破壞和污染，在一定程度上可以有效的實現超高層建筑的綠化設計。由于鋼結構具有如此多的應用優勢，所以其在超高層建筑抗震設計中有著廣泛的應用價值。

2 工程概況

某超高層工業廠房，在設計之初，其抗震等級被設計為7級，而且地震加速度也被設計為0.16g，在進行地震設計的過程中，總共分為三個等級，這一工業廠房所占用的場地，主要為II類場地，在該工業廠房的周邊區域，設置了抗震帶，抗震類別為乙類。這一工業廠房總共有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㎡。為保障該工業廠房結構設計的合理性和安全性，該廠房采用鋼結構進行設計，并且在不同的樓層中，采用的鋼結構類型也不同。該工業廠房中，1-13層主要采用的是鋼支撐結構，而在14-37層，則采用的是鋼框架一鋼支撐結構。在兩種鋼結構交接的部分，主要應用插入式柱腳對建筑結構實行支撐，起到荷載有效連接和傳遞的作用。但是該超高層工業廠房所建設的區域，很容易發生大型的地震，而廠房的地震設計無法滿足抗震要求，還需要進一步的進行鋼結構抗震優化設計，才能夠有效的保障超高層工業廠房結構的穩定性。

3 超高層鋼結構抗震優化設計

一般來說，針對超高層鋼結構進行抗震優化設計的過程中，需要對鋼結構節點進行合理的設計，這樣就可以使得梁柱的穩定性得到有效的保障，也可以使得超高層鋼結構的抗震性能得到進一步的提升。

1）局部削弱措施。很多的超高層鋼結構中，會采用梁柱焊栓節點進行鋼結構的設計，這樣的節點形式通常被稱為狗骨頭節點，這樣的節點一般都是在梁上下進行設置，并且會使得節點呈現出一種圓弧的形狀，從而就會使得鋼結構邊緣位置出現削弱的情況，這就使得鋼結構自身的承載能力下降，也使得鋼結構的韌性大打折扣，從而無法具備較高的抗震性能。因此，應該對局部削弱采取有效的措施進行解決，并且采用腹板開孔型節點進行鋼結構設計。

這樣的節點形式在一定程度上可以使得鋼結構的塑性得到有效的提升，也可以使得與節點距離相對較遠的梁截面塑性也可以得到提升。在地震發生的時候，就會使得鋼結構梁翼緣位置的鋼板不容易出現變形的情況，而且能夠有效的滿足抗震設計的標準要求，即使在梁鋼板結構出現局部削弱的情況下，鋼結構節點的承重能力以及抗震能力也不會出現下降的問題。所以，針對超高層鋼結構抗震優化設計的過程中，合理的應用腹板開孔型節點，可以有效的使得鋼結構的抗震性能得到提升，彌補局部出現的削弱情況。

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

其中，加蓋板節點的設定，不需要進行梁的剛度以及強度的改變，只需要在梁的翼緣位置處進行加蓋板設定，并針對梁柱節點所能夠承擔的荷載能力進行提升，保障梁柱節點能夠滿足相應塑性設計標準要求，保證節點能夠具有一定的延展性，這樣就不會使得鋼結構因為地震的影響而出現損壞的情況。按照相應的規定，超高層鋼結構梁翼緣在進行加蓋板焊接的過程中，需要對蓋板的厚度進行控制，盡可能的將蓋板的厚度控制在8mm的范圍內，同時，在對梁頂端的位置進行焊接處理的時候，則需要先打開相應的焊接缺口，然后進行加蓋板的焊接，所選擇的家蓋板長度需要控制在150mm以上，但不適宜超過180mm。

而梁腋節點抗震性能突出，具有良好的塑性能力，塑性旋轉角度由原來不足0.018rad可增至0.03rad以上，最大可達0.05rad。但是這種節點不能緩解梁翼緣中部的應力集中現象，而且梁腋的存在使得建筑設計也增加了困難。

4 結語

總而言之，超高層建筑在進行結構選擇的時候，應該選擇鋼結構，鋼結構的合理應用，可以使得超高層建筑整體結構的穩定性和可靠性得到有效的保證，同時也可以使得超高層建筑具備良好的抗震性能，避免地震對超高層建筑造成破壞。而超高層鋼結構的抗震性能想要發揮出來，就需要采取有效的方法來對超高層鋼結構抗震進行優化設計，從而滿足現今超高層鋼結構抗震的標準要求，從而保障超高層建筑的長遠發展。