文／宋文軍 濟南宏強建筑設(shè)計有限公司 山東濟南 271126

林 通 山東省方圓經(jīng)緯設(shè)計集團有限公司 山東濟南 250000

引言：

隨著高層建筑的普及以及廣泛利用，對高層建筑抗震性能優(yōu)化提出了更高的要求，工作人員需要轉(zhuǎn)變以往的工作思路，加強對抗震性能優(yōu)化設(shè)計要點的深入性分析，重視各種因素對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的破壞，降低安全事故的發(fā)生幾率，以此來為高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的穩(wěn)定運用提供重要的基礎(chǔ)。

1.地震對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的影響

地震是自然界中一種破壞性極大的地質(zhì)現(xiàn)象，它以巨大的能量摧毀周邊的建筑物。在地震中，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程無疑是最容易受到影響的，因為它們承受著巨大的重力和外力。地震對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的主要影響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，它是由地震波傳播引起的。這種力量會對高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的振動和應(yīng)力，進而可能導(dǎo)致構(gòu)件的破壞和變形[1]。尤其是在地震震級較高的情況下，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程面臨著更大的挑戰(zhàn)和風(fēng)險。地震對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的影響還涉及地基的穩(wěn)定性，地基是高層建筑的基礎(chǔ)，它承受著整個建筑物的重量，并將其傳遞到地下。當?shù)卣鸢l(fā)生時，地震波會對地基產(chǎn)生沖擊和振動，這可能導(dǎo)致地基的沉降、傾斜甚至破壞。如果地基不穩(wěn)定，高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)將失去支撐，進而引發(fā)嚴重的結(jié)構(gòu)倒塌。此外，地震還會對高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的耐久性和抗震性能造成影響。地震是一種瞬態(tài)的力量，其強度和頻率會對鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能產(chǎn)生負面影響。長期以來，科學(xué)家和設(shè)計人員們通過改進設(shè)計和施工技術(shù)，不斷提升高層建筑的耐震性能。然而，地震力仍然可能使鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，從而降低整體建筑的壽命。

2.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程抗震性能設(shè)計的基本要求

高層建筑是現(xiàn)代城市發(fā)展的重要標志，其設(shè)計與建造需要考慮到許多因素，其中之一就是抗震性能設(shè)計。由于地震是一種自然災(zāi)害，其破壞力極大，因此高層建筑的抗震性能設(shè)計至關(guān)重要。首先，高層建筑抗震性能設(shè)計要滿足國家相關(guān)標準和規(guī)范的要求，我國在建筑抗震領(lǐng)域已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗和知識，制定了一系列的標準和規(guī)范，并且根據(jù)地震帶的不同和建筑的用途等因素進行了細化[2]。設(shè)計人員在進行高層建筑抗震性能設(shè)計時，應(yīng)該參考和遵守這些標準和規(guī)范，確保建筑的抗震性能符合國家的要求。

其次，高層建筑抗震性能設(shè)計要考慮地震的力學(xué)特性和建筑的結(jié)構(gòu)特點，地震是由地殼的運動引起的，具有振動頻率、振幅和方向等特點。建筑的結(jié)構(gòu)也具有自身的特點，如剛度、層高、質(zhì)量等。在抗震性能設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要綜合考慮地震動力特性和建筑結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，選取合適的抗震措施和設(shè)計參數(shù)，以提高建筑的抗震性能。同時，高層建筑抗震性能設(shè)計要進行系統(tǒng)的地震動分析和結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析，地震動分析是指對地震動力進行研究和分析，確定地震動力參數(shù)，如峰值加速度、峰值速度等。結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析是指對建筑結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)分析，評估結(jié)構(gòu)的受力和變形情況。通過地震動分析和結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析，設(shè)計人員可以得到建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能指標，如位移、變形、加速度等，進而進行抗震措施的設(shè)計。之后，高層建筑抗震性能設(shè)計要注重結(jié)構(gòu)的韌性和穩(wěn)定性，韌性是指結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠吸收能量、延緩破壞發(fā)展的能力。高層建筑的結(jié)構(gòu)應(yīng)當具備足夠的韌性，以確保在地震發(fā)生時能夠保持相對完整。穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠保持平衡和穩(wěn)定的能力。設(shè)計人員需要采取相應(yīng)的措施，如加強結(jié)構(gòu)連接、設(shè)置剪力墻等，提高結(jié)構(gòu)的韌性和穩(wěn)定性。

最后，高層建筑抗震性能設(shè)計要進行可靠性分析和驗算?？煽啃苑治鍪侵竿ㄟ^隨機模擬、概率統(tǒng)計等方法，評估建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的可靠性水平。驗算是指對結(jié)構(gòu)進行力學(xué)計算和強度驗算，確保結(jié)構(gòu)的安全性。設(shè)計人員需要進行多次的可靠性分析和驗算，以確保高層建筑的抗震性能滿足要求。

3.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程抗震性能優(yōu)化設(shè)計的方法

3.1 分析極限承載力

高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)工程抗震性能設(shè)計是一項十分重要且復(fù)雜的工作，其中極限承載力的分析是其中不可或缺的一環(huán)。極限承載力是指在結(jié)構(gòu)受到最大荷載作用下能夠保持穩(wěn)定的能力，也是鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的核心要素之一。在分析極限承載力時，設(shè)計人員需要考慮到建筑的結(jié)構(gòu)形式、材料的性能以及荷載的特點等多個因素，設(shè)計人員需要對建筑的結(jié)構(gòu)形式進行全面的了解和分析，不同的結(jié)構(gòu)形式在受力方面存在差異，因此在分析極限承載力時需要結(jié)合實際情況進行具體的處理。例如，對于框架結(jié)構(gòu)而言，設(shè)計人員需要考慮到梁柱節(jié)點的承載能力以及框架整體的剛度等因素；對于桁架結(jié)構(gòu)而言，設(shè)計人員則需考慮到主桿和副桿的穩(wěn)定性以及節(jié)點的連接剛度等[3]。材料的性能對于極限承載力的分析起著關(guān)鍵作用。在高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)工程中，鋼材是最常用的結(jié)構(gòu)材料之一。鋼材具有較高的強度和韌性，能夠承受較大的荷載并保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。在分析極限承載力時，設(shè)計人員需要對鋼材的強度和變形性能進行準確的評估，以確保結(jié)構(gòu)在受力時具備足夠的抵抗能力。同時，設(shè)計人員還需要考慮到鋼材的腐蝕和疲勞等因素，通過合理的保護措施和設(shè)計方法來延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。此外，荷載的特點也是分析極限承載力時需要考慮的因素之一，荷載可以分為靜載和動載兩種類型。靜載是指結(jié)構(gòu)所受的常態(tài)荷載，如自重、樓層荷載等；動載則是指結(jié)構(gòu)所受的非常態(tài)荷載，如地震、風(fēng)載等。在分析極限承載力時，設(shè)計人員需要對不同類型的荷載進行綜合考慮，并進行合理的組合。尤其對于地震荷載而言，設(shè)計人員需要根據(jù)設(shè)計的震動參數(shù)進行相應(yīng)的分析，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠安全穩(wěn)定地工作。

3.2 諧波響應(yīng)分析

高層建筑作為現(xiàn)代城市的標志性建筑，其抗震性能是保障其正常運行和居住安全的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法主要是基于靜力分析，無法準確地預(yù)測和評估動力響應(yīng)。然而，隨著結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的不斷發(fā)展，諧波響應(yīng)分析作為一種動力分析的方法，引起了人們的廣泛關(guān)注。諧波響應(yīng)分析的設(shè)計方法基于對結(jié)構(gòu)體系的全面了解，通過建立合適的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合地震波的特性，研究結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性。比如，需要確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括質(zhì)量、剛度和阻尼等。之后，對地震波進行合理的描述和處理，將其轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)所能接受的輸入。最后，通過數(shù)值分析方法，計算出結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，包括位移、加速度和內(nèi)力等[4]。諧波響應(yīng)分析的核心思想在于能夠準確地預(yù)測結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)，并在此基礎(chǔ)上進行動力性能評估和優(yōu)化設(shè)計。相比傳統(tǒng)的靜力分析方法，諧波響應(yīng)分析能夠更真實地反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的實際響應(yīng)情況，為工程師提供更全面、準確的技術(shù)支持。通過模擬不同的地震波，工程師可以深入了解結(jié)構(gòu)的動力行為，從而更好地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工和監(jiān)測。諧波響應(yīng)分析的應(yīng)用不僅僅局限于高層建筑的抗震設(shè)計，它在其他領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。例如，橋梁工程、航空航天領(lǐng)域和能源設(shè)備等，都可以借助諧波響應(yīng)分析方法來評估結(jié)構(gòu)的動力性能，改善結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工質(zhì)量。

然而，諧波響應(yīng)分析也面臨著一些挑戰(zhàn)和限制。首先，諧波響應(yīng)分析需要充分了解結(jié)構(gòu)的物理特性、材料性能和工況變量等，這對工程師的專業(yè)素養(yǎng)提出了較高的要求。其次，數(shù)值分析方法的準確性和計算效率是諧波響應(yīng)分析的關(guān)鍵技術(shù)問題，需要不斷研究和改進，再加上諧波響應(yīng)分析需要大量的計算資源和時間，因此在實際工程中應(yīng)用時需要權(quán)衡成本和效果。

3.3 建模設(shè)計

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程是現(xiàn)代建筑領(lǐng)域中的重要一環(huán)，為了確保其在地震等自然災(zāi)害中具有良好的抗震性能，建模設(shè)計成為了必不可少的環(huán)節(jié)。建模設(shè)計是通過對建筑結(jié)構(gòu)進行數(shù)學(xué)模型的建立和分析，以評估其結(jié)構(gòu)強度、剛度和穩(wěn)定性等性能，并為工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)的過程。在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程抗震性能設(shè)計中，建模設(shè)計的方法多種多樣，其中最為常用的方法之一是有限元分析法。有限元分析法是一種將結(jié)構(gòu)分割為有限個小單元，通過求解各單元之間的相互作用力和位移的方法，得到整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和響應(yīng)情況。這種方法不僅能夠準確描述結(jié)構(gòu)的受力、位移等特性，還能夠模擬復(fù)雜的現(xiàn)象和邊界條件，為設(shè)計人員提供全面的工程信息。

在進行有限元分析前，建模設(shè)計的第一步是選擇適當?shù)慕＞群托问健＝ㄖY(jié)構(gòu)可以簡化為一維、二維或三維模型，根據(jù)具體的工程要求和復(fù)雜程度來確定。一維模型適用于柱、梁等細長構(gòu)件，二維模型適用于板、墻等平面結(jié)構(gòu)，而三維模型則適用于整體建筑結(jié)構(gòu)。根據(jù)具體情況選擇適當?shù)哪Ｐ托问剑軌蚋玫胤从辰Y(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和響應(yīng)情況。接下來，建模設(shè)計需要確定結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)和幾何參數(shù)。鋼材作為高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程的主要材料，其力學(xué)性能和物理特性對于建模設(shè)計至關(guān)重要。通過實驗或理論計算獲得材料的彈性模量、屈服強度、斷裂韌性等參數(shù)，并將其應(yīng)用于有限元分析中，以準確模擬結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。此外，還需要確定結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，如截面形狀、構(gòu)件長度和截面尺寸等，以便更精確地描述結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)和尺寸特征。完成材料性質(zhì)和幾何參數(shù)的確定后，接下來進行建模操作。建模的過程包括對結(jié)構(gòu)的分割、單元的建立、節(jié)點的連接等。在有限元分析中，結(jié)構(gòu)被分割為有限個小單元，這些小單元之間通過節(jié)點進行連接。根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和力學(xué)特性，選擇適當?shù)膯卧愋停缌簡卧?、板單元等，以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的真實描述。完成建模操作后，需要進行邊界條件和加載條件的設(shè)定。邊界條件是指在有限元分析中對結(jié)構(gòu)邊界進行限制，以模擬實際工程中的約束情況。加載條件是指對結(jié)構(gòu)施加的力或位移，以模擬實際工程中的荷載情況。通過合理設(shè)定邊界條件和加載條件，能夠更真實地反映結(jié)構(gòu)在實際使用環(huán)境中的力學(xué)響應(yīng)。最后，進行有限元分析和結(jié)果評價。有限元分析是通過求解有限元方程組，得到結(jié)構(gòu)在受力狀態(tài)下的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等響應(yīng)結(jié)果。通過對分析結(jié)果進行評價和分析，評估結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性等性能，以確定結(jié)構(gòu)的安全性能和優(yōu)化方向。根據(jù)分析結(jié)果，可以進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計或調(diào)整，以滿足工程要求和設(shè)計標準。

3.4 組合抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

組合抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心思想是在高層建筑的建造過程中，將不同的材料、不同的結(jié)構(gòu)形式相互融合，形成一種協(xié)同作用，以應(yīng)對地震帶來的巨大沖擊力。通過采用鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，充分發(fā)揮各材料的優(yōu)勢，形成一個整體的抗震系統(tǒng)。在組合抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先需要做的是充分了解地震的特點和建筑的受力機理。只有了解了地震的頻率、振幅、加速度等參數(shù)，才能合理地選擇合適的材料和結(jié)構(gòu)形式。其次，對于高層建筑來說，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)合是一種常見的方式。鋼結(jié)構(gòu)具有較高的強度和剛度，能夠承擔較大的荷載，而混凝土結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性和抗震性能，能夠形成一種互補效果。因此，在組合抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，合理配置和選擇鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的比例是關(guān)鍵。

在設(shè)計組合抗震結(jié)構(gòu)時，還需要考慮材料之間的連接方式。在高層建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常用的連接方式有焊接、螺栓連接、預(yù)應(yīng)力等。這些連接方式能夠?qū)摻Y(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)緊密地結(jié)合在一起，形成一個穩(wěn)定的整體。此外，在組合抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還需要考慮地震時的能量耗散。地震帶來的沖擊力是非常巨大的，如果沒有合適的能量耗散機制，建筑容易受到破壞。因此，在組合抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常常采用阻尼器、擺錘等能量耗散裝置，以減少地震對建筑的影響。

通過合理設(shè)計和應(yīng)用組合抗震結(jié)構(gòu)，高層建筑的抗震性能得到了極大提升。它不僅能夠增加建筑的剛度和穩(wěn)定性，還能夠有效分散地震能量，減少地震帶來的損失。當然，組合抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計也面臨一些挑戰(zhàn)，如材料的選擇、連接方式的設(shè)計以及施工工藝等方面的問題，但隨著科技的不斷進步，這些問題也將得到解決。

3.5 等效靜力設(shè)計

等效靜力設(shè)計通過將地震作用模擬為靜力效應(yīng)來簡化復(fù)雜的動力計算，使工程師能夠更加便捷地進行設(shè)計和分析。這一方法的應(yīng)用，既保證了結(jié)構(gòu)的安全性，又提高了設(shè)計效率，成為現(xiàn)代工程設(shè)計的重要工具。等效靜力設(shè)計方法的核心思想是將地震作用分解為若干個等效靜力載荷，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)的靜力響應(yīng)進行設(shè)計。其基本步驟包括地震參數(shù)的確定、結(jié)構(gòu)的等效靜力載荷計算、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算和結(jié)構(gòu)的驗算。

在進行等效靜力設(shè)計之前，需要準確確定地震參數(shù)，這包括確定設(shè)計的震動參數(shù)、確定考慮的地震波、確定地震分析的設(shè)計水平等。通過對區(qū)域地震活動性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特性的深入研究，工程師能夠確定適合工程的地震參數(shù)，為后續(xù)的等效靜力設(shè)計提供基礎(chǔ)。接下來，需要計算等效靜力載荷，這一步驟的目的是將地震作用抽象為若干個等效的靜力載荷，使其能夠方便地用靜力方法進行分析。計算等效靜力載荷時，需要考慮結(jié)構(gòu)的動力特性、地震波的荷載特性以及結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)等。通過合理的計算方法和模型，可以得到比較準確的等效靜力載荷。然后，根據(jù)計算得到的等效靜力載荷，進行結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算，這一步驟的目的是確定結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力情況，為后續(xù)的設(shè)計提供依據(jù)。通過在結(jié)構(gòu)中引入等效靜力載荷，可以得到結(jié)構(gòu)在靜力作用下的反力和內(nèi)力分布情況。工程師可以根據(jù)這些信息進行結(jié)構(gòu)的設(shè)計和驗算。最后，需要對結(jié)構(gòu)進行驗算，以確保其在地震作用下的安全性。通過比較結(jié)構(gòu)的實際內(nèi)力和設(shè)計承載能力，可以判斷結(jié)構(gòu)的安全性并進行必要的修正。對于不滿足設(shè)計要求的部分，工程師需要重新調(diào)整結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，直至滿足安全性要求。

等效靜力設(shè)計方法的優(yōu)點在于其簡化了復(fù)雜的動力計算過程，提高了設(shè)計效率。通過將地震作用模擬為靜力效應(yīng)，工程師能夠更加便捷地進行結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析。同時，等效靜力設(shè)計方法還考慮了結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)，更加準確地反映了結(jié)構(gòu)的真實性能。

3.6 提高鋼結(jié)構(gòu)豎向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

高層建筑的豎向結(jié)構(gòu)承擔著巨大的荷載和力學(xué)壓力，因此其穩(wěn)定性直接關(guān)系著整個建筑的安全性和可持續(xù)發(fā)展。在設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要采取一系列的措施，以確保豎向結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定地抵御各種外力和荷載的作用。合理的結(jié)構(gòu)布局是提高豎向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。在設(shè)計初期，設(shè)計人員要充分考慮建筑的功能需求、外形和空間布局等因素，合理地確定結(jié)構(gòu)的高度和平面形狀。合理的結(jié)構(gòu)布局能夠降低結(jié)構(gòu)的自重，減小豎向荷載所帶來的影響，從而提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。在設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要采用科學(xué)的結(jié)構(gòu)計算方法，確保豎向結(jié)構(gòu)的受力與變形能夠得到合理的控制。通過應(yīng)用有限元分析等先進的計算方法，設(shè)計人員可以對結(jié)構(gòu)進行全面、詳細的受力分析，確定各個構(gòu)件的受力狀態(tài)和變形情況。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計人員可以合理地選取材料和斷面形狀，以滿足結(jié)構(gòu)的強度和剛度要求，提高豎向結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，對于高層建筑來說，豎向結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力也是至關(guān)重要的。傾覆是指建筑在地震或風(fēng)載作用下由于地基移位或構(gòu)件錯位而發(fā)生傾斜或倒塌的現(xiàn)象。為了提高豎向結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力，設(shè)計人員可以采取一些有效的措施。例如，可以在建筑的底部設(shè)置堅固的基礎(chǔ)，以增加建筑的整體穩(wěn)定性，之后可以采取適當?shù)募羟袎蚣袅Φ仍黾涌箖A覆能力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。此外，還可以在結(jié)構(gòu)中設(shè)置適當?shù)募觿艞U或加強梁，以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小結(jié)構(gòu)變形，從而增加抗傾覆能力。

結(jié)語：

結(jié)合高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的特點提高高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程抗震功能是設(shè)計人員需要完成的首要任務(wù)，因此設(shè)計人員需要明確自身的工作職責，提高自身的專業(yè)素質(zhì)，選擇合適的抗震性能優(yōu)化設(shè)計方案，并且通過長期的實施及時地解決在抗震性能優(yōu)化設(shè)計中存在的問題，凸顯現(xiàn)代化的設(shè)計方案。