钢框架结构的优化设计研究

郑永和

【摘要】钢框架结构得益于其多项优势特点，在建筑工程实践中被广泛应用。钢框架结构的优化设计问题，涉及要素诸多，设计方案的可行性离不开其对其涉及要素的深刻分析。文章概述了钢框架结构的相关内容，分析了在钢框架结构中的节点连接问题，并就如何实现钢框架结构的优化设计展开了探讨，望对相关工作的开展有所裨益。

【关键词】钢框架结构；优化；设计；研究

随着建筑物高度的增加，特别对于高层建筑，水平荷载逐渐取代了竖向荷载的核心位置，成为结构设计的主要控制因素，因此，抗侧力构件的选择在高层建筑中变得尤为重要。楼层数的增加导致了传统的抗侧力构件已经不能满足高层建筑对于水平承载力及耗能的需求。钢板剪力墙结构是20世纪70年代发展起来的一种新型抗侧力结构体系。具有普通框架结构布置灵活、建筑自重轻、房屋可利用率高、构件易标准化、施工周期短、绿色环保、科技含量高适用范围广等优点，同时在处于抗震设防高烈度的地区，钢结构材料本身延性好能够吸收更多的外加能量因而抗震性能优于混凝土框架，从而大量应用于多高层建筑中。但是纯钢框架又有一个致命的弱点，就是抗侧向刚度性能低，水平荷载作用下变形较大，难以满足设计要求。在结构设计中，除了要考虑建筑自重、楼面人员和设备所带来的竖向荷载，还要考虑风荷载和地震的作用所带来的水平荷载。这些自然界的外加荷载，对于结构的破坏是很严重的。所以，在结构设计时也要采取必要措施来这类解决问题。解决这问题的最根本是在结构在选型时，是否选择了合适的抗侧力体系来抵抗侧向荷载的作用。

1、屈曲钢板墙抗剪理论分析（有限元模型 ）

在对屈曲钢板剪力墙进行数值分析时，将突出研究对象并使问题简化，采用了三种假设方法：1）框架梁、柱节点铰接；2） 框架梁、柱的抗弯刚度无限大；3） 忽略框架梁、柱的轴向变形的影响。 三种假定方法的目的在于分析内嵌钢板本身的抗剪性能：1） 采用梁、柱铰接模型，以剔除抗弯框架参与抗侧的影响；2） 梁、柱弯曲刚度无限大是为了给内嵌钢板的拉力场提供足够的锚固能力；3） 考虑到结构中框架梁一般与楼板相连，因而忽略横梁轴向变形；忽略柱的轴向变形是为屏蔽倾覆力矩的影响，着重分析内嵌钢板的剪切性质。

通过进行有限元动力分析，比较分析得到其在动力特性（周期、振型等方面）的变化，总结结构在动力性能方面的变化；并通过进一步调整影响其工作机能的相关参数研究内填钢板支撑剪力墙钢框架结构在小震、大震等不同工作状况下的抗震机能。

2、非加劲钢板剪力墙滞回性能

加劲薄板变形，滞回曲线捏拢现象明显，在零点位移附近出现“零刚度”甚至“负刚度”效果。非加劲薄板的这种现象是由非外荷载反向作用时，拉力带反向受压，原先受压区域将过渡成拉力带区，每级荷载下出现了面外较大的变形累积，形成不可恢复的塑性变形，面外变形发展过程。

非加劲板滞回变形三种形式曲线较为饱满。在大侧移情况下，不论是非加劲厚板还是非加劲薄板，面外位移在反复荷载作用r呈单边发展趋势。因此，钢板墙刚度衰减不仅与板的塑性发展过程有关，而且与板面外大量变形有关。

反复荷载下板中面塑性应变发展规律与板高厚比五变化规律相吻合，方形厚板弹性屈曲荷载高，后屈曲的波带较宽，最大塑性应变发生在板主对角线和1/4跨度处t塑性应变较大。方板薄板弹性屈曲荷载低，后屈曲的波带宽度窄，钢板墙剪切变形主要集中在板的对角线上，整块板屈服。

3、结构抗震性能模型分析

采用SAP2000进行建模，将结构模拟成无限刚度，不考虑材料非线性和几何线性和不考虑围护构件对主体结构的影响。结构模拟计算有结构形式及构造特点、分析精度要求和计算容量来确定。材料阻尼选8%，结构质量有结构方案和材料特征有程序自动计算。楼面荷载为2kN/m2计算。通过模态分析，得到框架各阶频率模型。分析不同频率下产生的应力、变形和位移，再利用结构振动模态分析结构动力特征。得到各楼层的最大位移对结构从强到及变形两方面进行安全性检验。

4、塑性抗震性能分析

用动力分析作为各种简化计算方法的比较标准。按照地震波数据输入地面运动，通过积分运算，求得在地面加速度随时间变化期间内，结构的内力和变形随时间变化的全过程，相比弹性分析中的振型分解反应谱法和POA方法。对于质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应考虑双向水平振动和楼面扭转的影響：此时，楼面除有质量mi，（mi，为结构第i层的等效质量）外，还有转动惯量Ij对振动产生影响，这相当于协同工作计算法考虑了楼面转动时的情况。

利用PKPM结构分析软件，在PMCAD中结合实际工程的建筑图纸建立模型。

SATWE模块会自动提取PMCAD所需要的数据，结合当地的地质情况进行抗震分析。结合动力学理论，研究对比各个结构的层间位移、平均位移、层间位移角，从而具体分析每种抗侧力体系的实际抗侧力性能，可能影响性能的一些外在因素。

通过建模模拟试验研究分从理论方面对结构滞回性能进行分析，进一步获知内填钢板支撑剪力墙结构体系在多遇地震作用下的抗震性能及工作机理。试验结果揭示了在单向静力荷载性能研究的基础上进行了滞回性能的理论与试验研究。理论分析结果表明，（1）钢板墙承载力和耗能能力从高到低依次是交叉加劲板、十字加劲板和非加劲板。（2）厚擘钢板剪力墙框架表现出的非线性性能是由鋼材的弹塑性引起的，薄壁钢板剪力墙表现出的非弹性性能则是由对角线方向拉力带形成及材料弹塑性引起的，该结论同样适用于低周反复荷载F的滞回性能。

结语：

总之，建筑工程的稳定可靠，关键在于钢框架结构的设计水平。在钢框架结构优化设计过程中，要格外注意其多项关键环节，设计人员要从建筑工程的客观实际需求出发，充分利用自身既有优势条件，做到最为优化的钢框架结构设计方案。

参考文献：

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