冶金工业建筑结构设计中的抗震性能优化研究

2024-02-20张华敏

城市建设理论研究（电子版） 2024年3期

张华敏

山东省冶金设计院股份有限公司山东济南 250000

1 冶金工业建筑结构特点

冶金工业建筑结构是一类特殊的工业建筑，其特点决定了其在抗震设计中需要考虑的一些特殊因素。首先，冶金工业建筑通常拥有大跨度、大空间的结构形式。这些厂房通常需要容纳大型设备和机械设施，因此其结构需要具备较高的承载能力和稳定性。其次，冶金工业建筑往往需要处理大量的物质流动和能量转化，例如高温、高压、高速度等，这对其抗震设计提出了更高的要求。再次，冶金工业建筑常常需要抵抗外部冲击力，如爆炸、震荡等。因此，其结构在设计时需要考虑到冲击力的作用。

在冶金工业建筑抗震设计中，有几个关键点需要特别注意。首先是结构的整体性和连续性。由于冶金工业建筑的大跨度和大空间特点，结构的整体性和连续性对于抗震性能至关重要。必须采取适当的结构连接、加强节点，确保结构在地震作用下能够保持整体稳定性。其次是结构的刚度和柔度。冶金工业建筑既要能够承受大的静载荷，又要能够在地震作用下具有一定的柔度，从而能够有效吸收和分散地震能量，减小结构的震动反应。因此，在设计过程中需要适当调整结构的刚度和柔度，以实现抗震设计的优化。最后是结构的耐久性和可修复性。冶金工业建筑往往需要长时间地运行，因此在抗震设计中需要注重结构的耐久性和可修复性。采用适当的材料、施工技术和维护措施，确保结构能够抵御震动作用而不受损，或者在受灾后能够及时修复和恢复。

2 冶金工业建筑结构抗震设计原则和要求

首先，冶金工业建筑的抗震设计应根据具体的地震活动水平和建筑的功能要求来确定合适的设计参数。根据地震波峰值加速度、震中距离和建筑所处的地质条件等因素，可以确定地震设计烈度等级，从而确定结构的抗震设计标准和要求。

其次，冶金工业建筑的抗震设计应注重结构的整体性和连续性。在结构设计中，应采用连续梁、墙柱等形式来提高结构的整体稳定性。同时，还需要考虑结构的刚度分配，合理配置刚性节点和柔性节点，以增强结构的整体抗震能力。

第三，冶金工业建筑的抗震设计应注重结构的韧性和抗震能力。结构的韧性是指结构在地震作用下能够发生适量的变形，从而吸收地震能量，并保证建筑的安全性。为了提高韧性，可采用适当的设计措施，如增加水平抗剪墙、设置适当的层间位移缝等。

第四，冶金工业建筑的抗震设计应注重结构和非结构构件的耦合。结构和非结构构件之间的耦合效应对于整体抗震性能至关重要。在设计中，应合理布置非结构构件，如设备、管线等，并采取相应的措施，如设置适当的抗震支撑、加固构件等，以提高冶金工业建筑的整体抗震能力。

第五，冶金工业建筑的抗震设计应注重结构的监测和维护。抗震设计只是一项初期工作，为了确保结构的持久抗震能力，还需要对结构进行定期的监测和维护。通过定期检查和评估建筑结构的状况，及时发现和修复结构存在的问题，从而保障冶金工业建筑的抗震性能。

3 冶金工业建筑结构抗震性能分析和评估

3.1 抗震性能分析方法

（1）数值模拟方法

数值模拟方法是一种常用的抗震性能分析方法，通过建立数学模型，并运用计算机技术进行数值模拟，可以较为准确地预测结构在地震作用下的响应情况。常用的数值模拟方法包括有限元法、边界元法和离散元法等。

有限元法是目前最常用的数值模拟方法之一。它将结构划分为有限个小单元，每个小单元内的力学性质可以近似为常数，通过求解各个小单元之间的关系，得到整个结构的响应。由于有限元法可以灵活地模拟各种复杂结构，并且具有较高的计算精度，因此在冶金工业建筑结构的抗震性能分析中得到广泛应用。

边界元法是另一种常用的数值模拟方法。与有限元法不同的是，边界元法主要关注结构边界上的应力和位移，通过在结构边界上建立边界元，求解边界上的位移和力学性质来推导结构的响应。边界元法适用于结构边界对整体响应影响较大的情况，对于大型冶金工业建筑结构的抗震性能评估具有一定的优势。

离散元法则更加适用于模拟土动力学问题，其主要思想是将结构划分为多个离散的单元，通过模拟单元之间的相对运动来模拟结构的响应。虽然离散元法在模拟冶金工业建筑结构的抗震性能方面较少应用，但对于某些特殊情况下土-结构相互作用的研究具有较大的优势。

（2）精确动力分析方法

精确动力分析方法是一种基于土壤-结构相互作用的分析方法，主要考虑结构与土壤的相互作用对抗震性能的影响。常用的精确动力分析方法包括动力有限元法、有限差分法和复杂模态合成法等。

动力有限元法是在有限元法的基础上引入了土壤的模拟，将结构和土壤一起建模进行分析。通过考虑土壤的弹性和阻尼特性，可以更准确地分析结构的动力响应。

有限差分法则是一种将时间和空间离散化的方法，通过差分方程求解结构的动力响应。在考虑土壤-结构相互作用时，有限差分法可以更直接地描述土壤与结构之间的力学行为。

复杂模态合成法是一种将土壤-结构相互作用纳入结构动力分析的方法。通过对结构和土壤的全部模态进行合成，可以分析出在地震作用下结构的全体响应，进而评估其抗震性能。

3.2 抗震性能评估指标

为了评估冶金工业建筑结构的抗震性能，需要确定一些评估指标。这些指标衡量了结构在地震作用下的性能表现，并且可以帮助工程师了解结构的抗震能力。在选择评估指标时，需要考虑结构的物理特性、设计用途以及地震发生的可能性。

首先，一个重要的抗震性能评估指标是结构的位移性能。位移是一个反映结构变形程度的指标，它告诉我们结构在地震中是否具有足够的变形能力来吸收地震能量，而不会导致结构的崩塌。常用的位移性能指标包括层间位移角、层间位移比等。

其次，评估结构的应变能力也是非常重要的。应变是结构在地震荷载下发生的应力变形关系的体现，它与结构的材料性能相关。通过评估结构在地震荷载下的应变能力，可以判断结构是否能够承受地震产生的应力，从而避免结构的破坏。常用的应变性能指标包括最大应变、剪切应变等。

另外，抗震性能评估还需要考虑结构的刚度。刚度是结构对外力作用时的变形抵抗能力，它与结构的刚度系数和柔度相关。评估结构的刚度性能可以帮助工程师了解结构是否具有足够的刚度来抵抗地震力的作用，从而保护结构的完整性。常用的刚度性能指标包括弹性刚度、刚度抖振周期等。

除了上述指标外，还可以考虑其他一些因素，如结构的频率响应、振动周期等。这些指标可以进一步完善对冶金工业建筑结构抗震性能的评估。

4 冶金工业建筑结构抗震性能的优化措施

4.1 结构布置的优化

在冶金工业建筑结构设计中，优化结构布置是提高抗震性能的重要措施之一。在结构布置的过程中，应该充分考虑到建筑物的特点和所处地区的抗震要求。以下是一些可行的优化措施。

首先，合理选择结构形式。根据冶金工业建筑的特点和整体布局，可以选择适当的结构形式，如桁架、框架或筒形结构。每种结构形式都有其特点和适用范围，而合理的选择可以使结构受力更加均匀，并提高结构的整体稳定性。

其次，合理安排楼层布置。在冶金工业建筑中，楼层布置的合理性对结构的抗震性能至关重要。通过合理的楼层布置，可以减少结构的振动周期差异，降低地震力的集中程度。建筑物的不同功能区域可以采用不同的楼层布置，以满足各个区域的使用需求和抗震要求。

其三，考虑结构的连通性。增加结构的连通性可以有效提升结构的整体刚度和稳定性。通过合理设置连接节点、梁柱剪力墙等，可以有效传递荷载，减少局部承载点的应力集中，提高结构的抗震能力。

最后，根据实际情况考虑耐震设防区域的具体要求。不同的地区对建筑物的抗震性能要求不同，根据现行标准和规范，应将地震设防要求融入到结构布置的优化中。在设计中考虑到不同抗震能力等级、地震烈度和地震韧性等因素，可以使冶金工业建筑的抗震性能得到有效提升。

4.2 结构材料的选择和优化

在冶金工业建筑结构设计中，结构材料的选择和优化是抗震性能优化的关键因素之一。在选择结构材料时，需要考虑其力学性能、耐久性、成本等因素，并采取相应的优化措施。

首先，应根据结构的受力情况和抗震要求选择适当的材料。高强度材料具有较好的抗震性能，因此在冶金工业建筑结构中广泛使用，如高强度钢材、高强度混凝土等。这些材料可以提供更好的抗震承载能力，从而增强结构的耐震性能。

其次，还可以通过材料的合理配比来优化结构的抗震性能。在混凝土结构中，使用优质的骨料、控制水灰比、添加适量的粉煤灰或普通矿渣粉等，可以提高混凝土的抗压强度和抗震性能。在钢结构中，采用高强度钢材，通过控制断裂韧性和延性指标，可以增强钢结构的抗震承载能力。

此外，还可以运用新型材料来优化抗震性能。如纤维增强复合材料在冶金工业建筑结构中的应用日益广泛。纤维增强复合材料具有较高的强度和韧性，并具备良好的抗震性能。通过在结构中添加纤维增强复合材料，可以提高结构的承载能力和抗震性能。

最后，还需要对选择的结构材料进行适当的优化设计。通过优化结构材料的截面形状、厚度等参数，可以提高结构的刚度和强度，进而提高抗震性能。此外，也可以通过优化结构材料的连接方式和施工工艺，提高结构的整体性能和抗震能力。

4.3 强化支撑设计

在冶金工业领域中，对于冶金建筑支撑系统的设计，为了让钢结构建筑在整体结构方面的稳定性得到有效的保障，并且能够满足各种类型的机械设备在使用时的具体要求，应该按照冶金建筑结构的跨度、振动、吊车等这些设备去科学、合理地布置支撑系统。钢结构建筑在支撑系统方面通常分为两种: 分别是屋盖支撑和柱间支撑。

屋盖支撑的系统通常是由竖向、纵向、横向，这三种类型在支撑、系杆所组成的，屋盖上弦支撑布置如图1所示，屋盖上弦支撑布置如图 2 所示。

图1 屋盖上弦支撑布置

图2 屋盖下弦支撑布置

4.4 结构连接的优化

在冶金工业建筑结构设计中，结构连接的合理优化是保证整体抗震性能的重要环节。合适的连接方式和强度能够有效地将各个部件连接起来，形成一个整体刚性良好、具有较好抗震性能的结构体系。

首先，选择适当的连接方式是结构连接优化的基础。在冶金工业建筑结构中，常用的连接方式包括焊接、螺栓连接和铆接等。对于抗震性能要求较高的结构，一般会采用焊接连接方式。焊接连接能够提供较高的刚度和承载能力，使得结构在地震作用下能够更好地抵抗变形和破坏。而对于一些非抗震性能要求较高的结构，则可以选择螺栓连接和铆接连接方式，其具有可拆卸、便于维修等特点。

其次，优化结构连接的材料选择也是重要的一环。在冶金工业建筑中，常用的结构连接材料包括高强度螺栓、焊接材料等。选用高强度的连接材料能够提供较高的连接刚度和承载能力，增强结构的整体抗震性能。此外，还需要考虑连接材料的耐腐蚀性能，特别是在恶劣的工业环境中，选用耐腐蚀性能较好的连接材料，能够延长连接件的使用寿命，提高结构的可靠性。

另外，合理的连接设计也是结构连接优化的关键。连接的设计需要考虑结构的受力特点和连接部位的应力分布情况。通过合理配置连接件的数量、大小和布置方式，能够充分发挥结构连接的作用，提高结构的整体抗震性能。此外，在连接设计中还需要注意避免集中应力的出现，通过合理的力传递和分散，能够降低连接部位的应力集中，提高结构连接的承载能力。

4.5 结构强度和刚度的优化

在冶金工业建筑结构设计中，结构强度和刚度的优化是关键的一环。通过合理的结构强度和刚度的设计，可以提高建筑物的抗震性能，从而保障工业设施和设备的正常运行，减少地震可能带来的损失。

首先，在结构强度的优化方面，可以通过增加构件的截面尺寸和材料的强度来提高结构的整体抗震能力。例如，在柱子的设计中，可以增加柱子的截面面积和钢筋配筋率，从而提高柱子的抗弯能力和承载能力。此外，还可以通过利用预应力技术来提高构件的强度和刚度，从而增加整个结构的抗震性能。

其次，在结构刚度的优化方面，可以采取多种措施来增加结构的整体刚度。一种常见的方法是通过增加横向支撑系统，如剪力墙和框架结构，来提高结构的整体刚度。此外，还可以采用增加水平悬挂系统或设置大跨度的梁来增加结构的刚度。通过这些措施，可以有效地减小结构在地震作用下的变形，提高结构的抗震性能。

另外，在结构强度和刚度的优化过程中，还需要考虑结构的动力特性。通过分析结构的固有频率和阻尼特性，可以为优化设计提供依据。例如，在结构的自振频率处，可以避免共振现象的发生，从而增强结构的抗震性能。此外，还需要考虑结构的阻尼特性，通过合理设置阻尼器或增加阻尼材料的使用，来减小结构在地震作用下的振动幅度和失稳风险。