高层建筑钢结构工程中的抗震性能化设计要点及实践探究

2024-06-09宋文军济南宏强建筑设计有限公司山东济南271126

中国房地产业 2024年15期

文／宋文军济南宏强建筑设计有限公司山东济南 271126

林通山东省方圆经纬设计集团有限公司山东济南 250000

引言：

随着高层建筑的普及以及广泛利用，对高层建筑抗震性能优化提出了更高的要求，工作人员需要转变以往的工作思路，加强对抗震性能优化设计要点的深入性分析，重视各种因素对高层建筑钢结构所产生的破坏，降低安全事故的发生几率，以此来为高层建筑钢结构工程的稳定运用提供重要的基础。

1.地震对高层建筑钢结构工程的影响

地震是自然界中一种破坏性极大的地质现象，它以巨大的能量摧毁周边的建筑物。在地震中，高层建筑钢结构工程无疑是最容易受到影响的，因为它们承受着巨大的重力和外力。地震对高层建筑钢结构工程的主要影响之一是地震力的作用，地震力是地震中最直接和最猛烈的力量，它是由地震波传播引起的。这种力量会对高层建筑的钢结构产生巨大的振动和应力，进而可能导致构件的破坏和变形[1]。尤其是在地震震级较高的情况下，高层建筑钢结构工程面临着更大的挑战和风险。地震对高层建筑钢结构工程的影响还涉及地基的稳定性，地基是高层建筑的基础，它承受着整个建筑物的重量，并将其传递到地下。当地震发生时，地震波会对地基产生冲击和振动，这可能导致地基的沉降、倾斜甚至破坏。如果地基不稳定，高层建筑的钢结构将失去支撑，进而引发严重的结构倒塌。此外，地震还会对高层建筑钢结构工程的耐久性和抗震性能造成影响。地震是一种瞬态的力量，其强度和频率会对钢结构的疲劳性能产生负面影响。长期以来，科学家和设计人员们通过改进设计和施工技术，不断提升高层建筑的耐震性能。然而，地震力仍然可能使钢结构发生疲劳破坏，从而降低整体建筑的寿命。

2.高层建筑钢结构工程抗震性能设计的基本要求

高层建筑是现代城市发展的重要标志，其设计与建造需要考虑到许多因素，其中之一就是抗震性能设计。由于地震是一种自然灾害，其破坏力极大，因此高层建筑的抗震性能设计至关重要。首先，高层建筑抗震性能设计要满足国家相关标准和规范的要求，我国在建筑抗震领域已经积累了丰富的经验和知识，制定了一系列的标准和规范，并且根据地震带的不同和建筑的用途等因素进行了细化[2]。设计人员在进行高层建筑抗震性能设计时，应该参考和遵守这些标准和规范，确保建筑的抗震性能符合国家的要求。

其次，高层建筑抗震性能设计要考虑地震的力学特性和建筑的结构特点，地震是由地壳的运动引起的，具有振动频率、振幅和方向等特点。建筑的结构也具有自身的特点，如刚度、层高、质量等。在抗震性能设计过程中，设计人员需要综合考虑地震动力特性和建筑结构的反应，选取合适的抗震措施和设计参数，以提高建筑的抗震性能。同时，高层建筑抗震性能设计要进行系统的地震动分析和结构反应分析，地震动分析是指对地震动力进行研究和分析，确定地震动力参数，如峰值加速度、峰值速度等。结构反应分析是指对建筑结构进行动力学分析，评估结构的受力和变形情况。通过地震动分析和结构反应分析，设计人员可以得到建筑结构在地震作用下的性能指标，如位移、变形、加速度等，进而进行抗震措施的设计。之后，高层建筑抗震性能设计要注重结构的韧性和稳定性，韧性是指结构在地震作用下能够吸收能量、延缓破坏发展的能力。高层建筑的结构应当具备足够的韧性，以确保在地震发生时能够保持相对完整。稳定性是指结构在地震作用下能够保持平衡和稳定的能力。设计人员需要采取相应的措施，如加强结构连接、设置剪力墙等，提高结构的韧性和稳定性。

最后，高层建筑抗震性能设计要进行可靠性分析和验算。可靠性分析是指通过随机模拟、概率统计等方法，评估建筑结构在地震作用下的可靠性水平。验算是指对结构进行力学计算和强度验算，确保结构的安全性。设计人员需要进行多次的可靠性分析和验算，以确保高层建筑的抗震性能满足要求。

3.高层建筑钢结构工程抗震性能优化设计的方法

3.1 分析极限承载力

高层建筑的钢结构工程抗震性能设计是一项十分重要且复杂的工作，其中极限承载力的分析是其中不可或缺的一环。极限承载力是指在结构受到最大荷载作用下能够保持稳定的能力，也是钢结构工程设计的核心要素之一。在分析极限承载力时，设计人员需要考虑到建筑的结构形式、材料的性能以及荷载的特点等多个因素，设计人员需要对建筑的结构形式进行全面的了解和分析，不同的结构形式在受力方面存在差异，因此在分析极限承载力时需要结合实际情况进行具体的处理。例如，对于框架结构而言，设计人员需要考虑到梁柱节点的承载能力以及框架整体的刚度等因素；对于桁架结构而言，设计人员则需考虑到主杆和副杆的稳定性以及节点的连接刚度等[3]。材料的性能对于极限承载力的分析起着关键作用。在高层建筑的钢结构工程中，钢材是最常用的结构材料之一。钢材具有较高的强度和韧性，能够承受较大的荷载并保持结构的稳定。在分析极限承载力时，设计人员需要对钢材的强度和变形性能进行准确的评估，以确保结构在受力时具备足够的抵抗能力。同时，设计人员还需要考虑到钢材的腐蚀和疲劳等因素，通过合理的保护措施和设计方法来延长结构的使用寿命。此外，荷载的特点也是分析极限承载力时需要考虑的因素之一，荷载可以分为静载和动载两种类型。静载是指结构所受的常态荷载，如自重、楼层荷载等；动载则是指结构所受的非常态荷载，如地震、风载等。在分析极限承载力时，设计人员需要对不同类型的荷载进行综合考虑，并进行合理的组合。尤其对于地震荷载而言，设计人员需要根据设计的震动参数进行相应的分析，确保结构在地震作用下能够安全稳定地工作。

3.2 谐波响应分析

高层建筑作为现代城市的标志性建筑，其抗震性能是保障其正常运行和居住安全的关键因素。传统的抗震设计方法主要是基于静力分析，无法准确地预测和评估动力响应。然而，随着结构工程领域的不断发展，谐波响应分析作为一种动力分析的方法，引起了人们的广泛关注。谐波响应分析的设计方法基于对结构体系的全面了解，通过建立合适的数学模型，结合地震波的特性，研究结构的响应特性。比如，需要确定结构参数，包括质量、刚度和阻尼等。之后，对地震波进行合理的描述和处理，将其转化为结构所能接受的输入。最后，通过数值分析方法，计算出结构的响应，包括位移、加速度和内力等[4]。谐波响应分析的核心思想在于能够准确地预测结构的非线性响应，并在此基础上进行动力性能评估和优化设计。相比传统的静力分析方法，谐波响应分析能够更真实地反映结构在地震作用下的实际响应情况，为工程师提供更全面、准确的技术支持。通过模拟不同的地震波，工程师可以深入了解结构的动力行为，从而更好地指导结构的设计、施工和监测。谐波响应分析的应用不仅仅局限于高层建筑的抗震设计，它在其他领域也发挥着重要作用。例如，桥梁工程、航空航天领域和能源设备等，都可以借助谐波响应分析方法来评估结构的动力性能，改善结构的设计和施工质量。

然而，谐波响应分析也面临着一些挑战和限制。首先，谐波响应分析需要充分了解结构的物理特性、材料性能和工况变量等，这对工程师的专业素养提出了较高的要求。其次，数值分析方法的准确性和计算效率是谐波响应分析的关键技术问题，需要不断研究和改进，再加上谐波响应分析需要大量的计算资源和时间，因此在实际工程中应用时需要权衡成本和效果。

3.3 建模设计

高层建筑钢结构工程是现代建筑领域中的重要一环，为了确保其在地震等自然灾害中具有良好的抗震性能，建模设计成为了必不可少的环节。建模设计是通过对建筑结构进行数学模型的建立和分析，以评估其结构强度、刚度和稳定性等性能，并为工程设计提供科学依据的过程。在高层建筑钢结构工程抗震性能设计中，建模设计的方法多种多样，其中最为常用的方法之一是有限元分析法。有限元分析法是一种将结构分割为有限个小单元，通过求解各单元之间的相互作用力和位移的方法，得到整个结构的力学行为和响应情况。这种方法不仅能够准确描述结构的受力、位移等特性，还能够模拟复杂的现象和边界条件，为设计人员提供全面的工程信息。

在进行有限元分析前，建模设计的第一步是选择适当的建模精度和形式。建筑结构可以简化为一维、二维或三维模型，根据具体的工程要求和复杂程度来确定。一维模型适用于柱、梁等细长构件，二维模型适用于板、墙等平面结构，而三维模型则适用于整体建筑结构。根据具体情况选择适当的模型形式，能够更好地反映结构的力学行为和响应情况。接下来，建模设计需要确定结构的材料性质和几何参数。钢材作为高层建筑钢结构工程的主要材料，其力学性能和物理特性对于建模设计至关重要。通过实验或理论计算获得材料的弹性模量、屈服强度、断裂韧性等参数，并将其应用于有限元分析中，以准确模拟结构的力学响应。此外，还需要确定结构的几何参数，如截面形状、构件长度和截面尺寸等，以便更精确地描述结构的几何形态和尺寸特征。完成材料性质和几何参数的确定后，接下来进行建模操作。建模的过程包括对结构的分割、单元的建立、节点的连接等。在有限元分析中，结构被分割为有限个小单元，这些小单元之间通过节点进行连接。根据结构的几何形状和力学特性，选择适当的单元类型，如梁单元、板单元等，以实现对结构的真实描述。完成建模操作后，需要进行边界条件和加载条件的设定。边界条件是指在有限元分析中对结构边界进行限制，以模拟实际工程中的约束情况。加载条件是指对结构施加的力或位移，以模拟实际工程中的荷载情况。通过合理设定边界条件和加载条件，能够更真实地反映结构在实际使用环境中的力学响应。最后，进行有限元分析和结果评价。有限元分析是通过求解有限元方程组，得到结构在受力状态下的位移、应力、应变等响应结果。通过对分析结果进行评价和分析，评估结构的强度、刚度和稳定性等性能，以确定结构的安全性能和优化方向。根据分析结果，可以进行结构的优化设计或调整，以满足工程要求和设计标准。

3.4 组合抗震结构设计

组合抗震结构设计的核心思想是在高层建筑的建造过程中，将不同的材料、不同的结构形式相互融合，形成一种协同作用，以应对地震带来的巨大冲击力。通过采用钢结构与混凝土结构相结合的方式，充分发挥各材料的优势，形成一个整体的抗震系统。在组合抗震结构设计中，首先需要做的是充分了解地震的特点和建筑的受力机理。只有了解了地震的频率、振幅、加速度等参数，才能合理地选择合适的材料和结构形式。其次，对于高层建筑来说，钢结构和混凝土结构的结合是一种常见的方式。钢结构具有较高的强度和刚度，能够承担较大的荷载，而混凝土结构具有良好的耐久性和抗震性能，能够形成一种互补效果。因此，在组合抗震结构设计中，合理配置和选择钢结构和混凝土结构的比例是关键。

在设计组合抗震结构时，还需要考虑材料之间的连接方式。在高层建筑抗震结构设计中，常用的连接方式有焊接、螺栓连接、预应力等。这些连接方式能够将钢结构与混凝土结构紧密地结合在一起，形成一个稳定的整体。此外，在组合抗震结构设计中，还需要考虑地震时的能量耗散。地震带来的冲击力是非常巨大的，如果没有合适的能量耗散机制，建筑容易受到破坏。因此，在组合抗震结构设计中，常常采用阻尼器、摆锤等能量耗散装置，以减少地震对建筑的影响。

通过合理设计和应用组合抗震结构，高层建筑的抗震性能得到了极大提升。它不仅能够增加建筑的刚度和稳定性，还能够有效分散地震能量，减少地震带来的损失。当然，组合抗震结构设计也面临一些挑战，如材料的选择、连接方式的设计以及施工工艺等方面的问题，但随着科技的不断进步，这些问题也将得到解决。

3.5 等效静力设计

等效静力设计通过将地震作用模拟为静力效应来简化复杂的动力计算，使工程师能够更加便捷地进行设计和分析。这一方法的应用，既保证了结构的安全性，又提高了设计效率，成为现代工程设计的重要工具。等效静力设计方法的核心思想是将地震作用分解为若干个等效静力载荷，然后根据结构的静力响应进行设计。其基本步骤包括地震参数的确定、结构的等效静力载荷计算、结构的内力计算和结构的验算。

在进行等效静力设计之前，需要准确确定地震参数，这包括确定设计的震动参数、确定考虑的地震波、确定地震分析的设计水平等。通过对区域地震活动性质和结构特性的深入研究，工程师能够确定适合工程的地震参数，为后续的等效静力设计提供基础。接下来，需要计算等效静力载荷，这一步骤的目的是将地震作用抽象为若干个等效的静力载荷，使其能够方便地用静力方法进行分析。计算等效静力载荷时，需要考虑结构的动力特性、地震波的荷载特性以及结构的非线性效应等。通过合理的计算方法和模型，可以得到比较准确的等效静力载荷。然后，根据计算得到的等效静力载荷，进行结构的内力计算，这一步骤的目的是确定结构在地震作用下的受力情况，为后续的设计提供依据。通过在结构中引入等效静力载荷，可以得到结构在静力作用下的反力和内力分布情况。工程师可以根据这些信息进行结构的设计和验算。最后，需要对结构进行验算，以确保其在地震作用下的安全性。通过比较结构的实际内力和设计承载能力，可以判断结构的安全性并进行必要的修正。对于不满足设计要求的部分，工程师需要重新调整结构的设计方案，直至满足安全性要求。

等效静力设计方法的优点在于其简化了复杂的动力计算过程，提高了设计效率。通过将地震作用模拟为静力效应，工程师能够更加便捷地进行结构的设计和分析。同时，等效静力设计方法还考虑了结构的非线性效应，更加准确地反映了结构的真实性能。

3.6 提高钢结构竖向结构稳定性

高层建筑的竖向结构承担着巨大的荷载和力学压力，因此其稳定性直接关系着整个建筑的安全性和可持续发展。在设计过程中，设计人员需要采取一系列的措施，以确保竖向结构能够稳定地抵御各种外力和荷载的作用。合理的结构布局是提高竖向结构稳定性的基础。在设计初期，设计人员要充分考虑建筑的功能需求、外形和空间布局等因素，合理地确定结构的高度和平面形状。合理的结构布局能够降低结构的自重，减小竖向荷载所带来的影响，从而提高结构的整体稳定性。在设计过程中，设计人员需要采用科学的结构计算方法，确保竖向结构的受力与变形能够得到合理的控制。通过应用有限元分析等先进的计算方法，设计人员可以对结构进行全面、详细的受力分析，确定各个构件的受力状态和变形情况。在此基础上，设计人员可以合理地选取材料和断面形状，以满足结构的强度和刚度要求，提高竖向结构的稳定性。此外，对于高层建筑来说，竖向结构的抗倾覆能力也是至关重要的。倾覆是指建筑在地震或风载作用下由于地基移位或构件错位而发生倾斜或倒塌的现象。为了提高竖向结构的抗倾覆能力，设计人员可以采取一些有效的措施。例如，可以在建筑的底部设置坚固的基础，以增加建筑的整体稳定性，之后可以采取适当的剪切墙或剪力墙等增加抗倾覆能力的结构构件。此外，还可以在结构中设置适当的加劲杆或加强梁，以提高结构的整体刚度，减小结构变形，从而增加抗倾覆能力。