鋼框架結構的優化設計研究

鄭永和

【摘要】鋼框架結構得益于其多項優勢特點，在建筑工程實踐中被廣泛應用。鋼框架結構的優化設計問題，涉及要素諸多，設計方案的可行性離不開其對其涉及要素的深刻分析。文章概述了鋼框架結構的相關內容，分析了在鋼框架結構中的節點連接問題，并就如何實現鋼框架結構的優化設計展開了探討，望對相關工作的開展有所裨益。

【關鍵詞】鋼框架結構；優化；設計；研究

隨著建筑物高度的增加，特別對于高層建筑，水平荷載逐漸取代了豎向荷載的核心位置，成為結構設計的主要控制因素，因此，抗側力構件的選擇在高層建筑中變得尤為重要。樓層數的增加導致了傳統的抗側力構件已經不能滿足高層建筑對于水平承載力及耗能的需求。鋼板剪力墻結構是20世紀70年代發展起來的一種新型抗側力結構體系。具有普通框架結構布置靈活、建筑自重輕、房屋可利用率高、構件易標準化、施工周期短、綠色環保、科技含量高適用范圍廣等優點，同時在處于抗震設防高烈度的地區，鋼結構材料本身延性好能夠吸收更多的外加能量因而抗震性能優于混凝土框架，從而大量應用于多高層建筑中。但是純鋼框架又有一個致命的弱點，就是抗側向剛度性能低，水平荷載作用下變形較大，難以滿足設計要求。在結構設計中，除了要考慮建筑自重、樓面人員和設備所帶來的豎向荷載，還要考慮風荷載和地震的作用所帶來的水平荷載。這些自然界的外加荷載，對于結構的破壞是很嚴重的。所以，在結構設計時也要采取必要措施來這類解決問題。解決這問題的最根本是在結構在選型時，是否選擇了合適的抗側力體系來抵抗側向荷載的作用。

1、屈曲鋼板墻抗剪理論分析（有限元模型 ）

在對屈曲鋼板剪力墻進行數值分析時，將突出研究對象并使問題簡化，采用了三種假設方法：1）框架梁、柱節點鉸接；2） 框架梁、柱的抗彎剛度無限大；3） 忽略框架梁、柱的軸向變形的影響。 三種假定方法的目的在于分析內嵌鋼板本身的抗剪性能：1） 采用梁、柱鉸接模型，以剔除抗彎框架參與抗側的影響；2） 梁、柱彎曲剛度無限大是為了給內嵌鋼板的拉力場提供足夠的錨固能力；3） 考慮到結構中框架梁一般與樓板相連，因而忽略橫梁軸向變形；忽略柱的軸向變形是為屏蔽傾覆力矩的影響，著重分析內嵌鋼板的剪切性質。

通過進行有限元動力分析，比較分析得到其在動力特性（周期、振型等方面）的變化，總結結構在動力性能方面的變化；并通過進一步調整影響其工作機能的相關參數研究內填鋼板支撐剪力墻鋼框架結構在小震、大震等不同工作狀況下的抗震機能。

2、非加勁鋼板剪力墻滯回性能

加勁薄板變形，滯回曲線捏攏現象明顯，在零點位移附近出現“零剛度”甚至“負剛度”效果。非加勁薄板的這種現象是由非外荷載反向作用時，拉力帶反向受壓，原先受壓區域將過渡成拉力帶區，每級荷載下出現了面外較大的變形累積，形成不可恢復的塑性變形，面外變形發展過程。

非加勁板滯回變形三種形式曲線較為飽滿。在大側移情況下，不論是非加勁厚板還是非加勁薄板，面外位移在反復荷載作用r呈單邊發展趨勢。因此，鋼板墻剛度衰減不僅與板的塑性發展過程有關，而且與板面外大量變形有關。

反復荷載下板中面塑性應變發展規律與板高厚比五變化規律相吻合，方形厚板彈性屈曲荷載高，后屈曲的波帶較寬，最大塑性應變發生在板主對角線和1/4跨度處t塑性應變較大。方板薄板彈性屈曲荷載低，后屈曲的波帶寬度窄，鋼板墻剪切變形主要集中在板的對角線上，整塊板屈服。

3、結構抗震性能模型分析

采用SAP2000進行建模，將結構模擬成無限剛度，不考慮材料非線性和幾何線性和不考慮圍護構件對主體結構的影響。結構模擬計算有結構形式及構造特點、分析精度要求和計算容量來確定。材料阻尼選8%，結構質量有結構方案和材料特征有程序自動計算。樓面荷載為2kN/m2計算。通過模態分析，得到框架各階頻率模型。分析不同頻率下產生的應力、變形和位移，再利用結構振動模態分析結構動力特征。得到各樓層的最大位移對結構從強到及變形兩方面進行安全性檢驗。

4、塑性抗震性能分析

用動力分析作為各種簡化計算方法的比較標準。按照地震波數據輸入地面運動，通過積分運算，求得在地面加速度隨時間變化期間內，結構的內力和變形隨時間變化的全過程，相比彈性分析中的振型分解反應譜法和POA方法。對于質量與剛度明顯不對稱、不均勻的結構，應考慮雙向水平振動和樓面扭轉的影響：此時，樓面除有質量mi，（mi，為結構第i層的等效質量）外，還有轉動慣量Ij對振動產生影響，這相當于協同工作計算法考慮了樓面轉動時的情況。

利用PKPM結構分析軟件，在PMCAD中結合實際工程的建筑圖紙建立模型。

SATWE模塊會自動提取PMCAD所需要的數據，結合當地的地質情況進行抗震分析。結合動力學理論，研究對比各個結構的層間位移、平均位移、層間位移角，從而具體分析每種抗側力體系的實際抗側力性能，可能影響性能的一些外在因素。

通過建模模擬試驗研究分從理論方面對結構滯回性能進行分析，進一步獲知內填鋼板支撐剪力墻結構體系在多遇地震作用下的抗震性能及工作機理。試驗結果揭示了在單向靜力荷載性能研究的基礎上進行了滯回性能的理論與試驗研究。理論分析結果表明，（1）鋼板墻承載力和耗能能力從高到低依次是交叉加勁板、十字加勁板和非加勁板。（2）厚擘鋼板剪力墻框架表現出的非線性性能是由鋼材的彈塑性引起的，薄壁鋼板剪力墻表現出的非彈性性能則是由對角線方向拉力帶形成及材料彈塑性引起的，該結論同樣適用于低周反復荷載F的滯回性能。

結語：

總之，建筑工程的穩定可靠，關鍵在于鋼框架結構的設計水平。在鋼框架結構優化設計過程中，要格外注意其多項關鍵環節，設計人員要從建筑工程的客觀實際需求出發，充分利用自身既有優勢條件，做到最為優化的鋼框架結構設計方案。

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