超高层钢结构抗震分析与优化设计

张俏

摘要 超高层建筑目前越来越多的运用钢结构进行修建，但是超高层建筑钢结构的设计，相较于其他的建筑形式来说，在抗震性能设计上要求更为严格。本文针对超高层钢结构抗震性能进行了简要的分析，并结合工程实例，来对超高层钢结构抗震性能进行优化设计，通过本文的探究，能够为相关的人员提供一定的参考和借鉴。

关键词 超高层建筑；钢结构；抗震性能；优化设计

中图分类号 TU3

文献标识码A

文章编号2095-6363（2015）10-0078-02

超高层建筑是目前城市中的主要建筑形式，为了保障超高层建筑的强度及稳定性，在对超高层建筑进行结构设计的过程中，多数采用是钢结构。这种超高层建筑对于钢结构设计的要求相对较为严格，尤其是对钢结构的抗震设计更为严格，为了能够使得超高层建筑的钢结构完整性得到有效的保障，就需要采用合理的方式，来对超高层钢结构抗震性能进行优化设计。下面本文就主要针对超高层钢结构抗震分析与优化设计进行深入的分析。

1 超高层钢结构抗震性能分析

针对不同的超高层建筑，采用的钢结构形式也会有所不同，而不同的钢结构形式也会具有不同的抗震性能。通常而言，采用混凝土修建的超高层建筑，具有较高的受压能力，然而，这种建筑的抗拉性能却较差，采用混凝土结构修建的超高层建筑，受压能力与抗拉能力之间的差距会在10倍左右。在地震发生后，尤其是大的地震发生时，会使得超高层建筑在巨大的冲击作用下，混凝土结构完整性很容易就被破坏，而且混凝土也会出现裂缝，而钢结构就不会出现这样的问题，可以有效的保障超高层建筑的稳定性。相较于超高层混凝土结构，超高层钢结构的延展性能更加的优良，而且可以承受巨大的地震波的影响和冲击。

就性能来说，钢材的抗压性能、抗剪性能以及抗拉性能都较为突出，能够将地震所造成的冲击力尽可能的减小，从而使得超高层建筑保持稳定。就这一方面来说，钢结构就是一种较为理想的超高层建筑设计结构形式，钢结构的弹性以及塑性都较为突出，利用钢结构具有的较强塑性以及弹性来对地震波进行消减以及吸收，就可以使得超高层建筑钢结构的抗震性能得以提升。

与其他的超高层建筑结构形式相比，钢结构本身的重量较轻，而且能够有效的起到减震的效应。根据上述的研究可以充分的了解到，钢结构的抗震性能较为突出，在工业化高速发展的过程中，钢结构的环保性能也逐渐提升，其在设计的过程中，不会对周边的环境造成破坏和污染，在一定程度上可以有效的实现超高层建筑的绿化设计。由于钢结构具有如此多的应用优势，所以其在超高层建筑抗震设计中有着广泛的应用价值。

2 工程概况

某超高层工业厂房，在设计之初，其抗震等级被设计为7级，而且地震加速度也被设计为0.16g，在进行地震设计的过程中，总共分为三个等级，这一工业厂房所占用的场地，主要为II类场地，在该工业厂房的周边区域，设置了抗震带，抗震类别为乙类。这一工业厂房总共有40层，地上37层，地下3层，厂房的总高度为125m，建筑总体面积为112543㎡。为保障该工业厂房结构设计的合理性和安全性，该厂房采用钢结构进行设计，并且在不同的楼层中，采用的钢结构类型也不同。该工业厂房中，1-13层主要采用的是钢支撑结构，而在14-37层，则采用的是钢框架一钢支撑结构。在两种钢结构交接的部分，主要应用插入式柱脚对建筑结构实行支撑，起到荷载有效连接和传递的作用。但是该超高层工业厂房所建设的区域，很容易发生大型的地震，而厂房的地震设计无法满足抗震要求，还需要进一步的进行钢结构抗震优化设计，才能够有效的保障超高层工业厂房结构的稳定性。

3 超高层钢结构抗震优化设计

一般来说，针对超高层钢结构进行抗震优化设计的过程中，需要对钢结构节点进行合理的设计，这样就可以使得梁柱的稳定性得到有效的保障，也可以使得超高层钢结构的抗震性能得到进一步的提升。

1）局部削弱措施。很多的超高层钢结构中，会采用梁柱焊栓节点进行钢结构的设计，这样的节点形式通常被称为狗骨头节点，这样的节点一般都是在梁上下进行设置，并且会使得节点呈现出一种圆弧的形状，从而就会使得钢结构边缘位置出现削弱的情况，这就使得钢结构自身的承载能力下降，也使得钢结构的韧性大打折扣，从而无法具备较高的抗震性能。因此，应该对局部削弱采取有效的措施进行解决，并且采用腹板开孔型节点进行钢结构设计。

这样的节点形式在一定程度上可以使得钢结构的塑性得到有效的提升，也可以使得与节点距离相对较远的梁截面塑性也可以得到提升。在地震发生的时候，就会使得钢结构梁翼缘位置的钢板不容易出现变形的情况，而且能够有效的满足抗震设计的标准要求，即使在梁钢板结构出现局部削弱的情况下，钢结构节点的承重能力以及抗震能力也不会出现下降的问题。所以，针对超高层钢结构抗震优化设计的过程中，合理的应用腹板开孔型节点，可以有效的使得钢结构的抗震性能得到提升，弥补局部出现的削弱情况。

2）加强措施。利用焊接的方式来对相关的辅助板块进行连接固定，并且合理利用螺栓将辅助板块合理的设置在钢结构的主体部位，之所以这样做，是为了能够更好的提升钢结构的整体承受能力，使得梁翼缘的削弱问题可以得到有效的解决，辅助板与主体结构之间连接的节点形式需要采用腋梁节点或者是加盖板节点，这样的节点形式才能够使得超高层钢结构的抗震性能能够满足标准要求。

其中，加盖板节点的设定，不需要进行梁的刚度以及强度的改变，只需要在梁的翼缘位置处进行加盖板设定，并针对梁柱节点所能够承担的荷载能力进行提升，保障梁柱节点能够满足相应塑性设计标准要求，保证节点能够具有一定的延展性，这样就不会使得钢结构因为地震的影响而出现损坏的情况。按照相应的规定，超高层钢结构梁翼缘在进行加盖板焊接的过程中，需要对盖板的厚度进行控制，尽可能的将盖板的厚度控制在8mm的范围内，同时，在对梁顶端的位置进行焊接处理的时候，则需要先打开相应的焊接缺口，然后进行加盖板的焊接，所选择的家盖板长度需要控制在150mm以上，但不适宜超过180mm。

而梁腋节点抗震性能突出，具有良好的塑性能力，塑性旋转角度由原来不足0.018rad可增至0.03rad以上，最大可达0.05rad。但是这种节点不能缓解梁翼缘中部的应力集中现象，而且梁腋的存在使得建筑设计也增加了困难。

4 结语

总而言之，超高层建筑在进行结构选择的时候，应该选择钢结构，钢结构的合理应用，可以使得超高层建筑整体结构的稳定性和可靠性得到有效的保证，同时也可以使得超高层建筑具备良好的抗震性能，避免地震对超高层建筑造成破坏。而超高层钢结构的抗震性能想要发挥出来，就需要采取有效的方法来对超高层钢结构抗震进行优化设计，从而满足现今超高层钢结构抗震的标准要求，从而保障超高层建筑的长远发展。