高层复杂钢结构设计技术研究

陈凯

摘要：钢结构具有轻质高强、抗震性好、基础造价低等一系列优点。本文应用有限元软件，通过对具体实例分析了高层复杂钢结构设计技术要点。

关键词：高层钢结构，设计，有限元分析

中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：

引言

钢结构具有轻质高强、抗震性好、基础造价低、施工周期短、质量易保证、商品化程度高、建筑布局灵活合理等一系列优点。与钢筋混凝土结构等传统住宅建筑的结构形式相比，钢结构是一种最其备“绿色建筑”特征即“环保、节能、工厂化的”新型结构形式，正愈来愈受到广大开发商、用户和建筑师的青睐。

高层钢结构的设计

高层建筑结构除受承受由重力引起的竖向荷载外，更重要的是需要承受由风及地震引起的水平荷载。因此高层建筑结构体系一般根据抗侧力结构的特点进行分类。高层钢结构体系分为框架体系、支撑一框架体系、筒体体系、巨型结构体系四类。

强度、刚度和延性是结构抗震设计永恒的主题。由于钢结构本身所具有的不同于钢筋混凝土结构的材料性能，该主题在建筑钢结构设计中体现得更为明显。而设计技术的现代化更能使结构工程师对建筑钢结构实现优化设计，将材料性能与结构体系中力的分布和构件的变形有机地结合起来，真正实现基于性能的结构设计。

以下以工程实例对其设计进行详细探讨。

工程概况

某工程高层钢结构建筑物所处位置的地基下层土，从上到下由素填土、杂填土、粉土、圆砾、强风化粉砂质泥岩组成，场地地层中未发现构造，断裂现象存在，也未发现其他不良地质现象存在。场地土经钻孔取原状样分析，场地上不具有湿陷性.

本工程采用PKPM系列软件(SATWI) 2006.10版以及ANSYS两种软件进行空间整体建模分析计算。

有限元设计分析

设计参数

本工程结构类型为钢框架-支撑结构，设计建筑年限50年，抗震设防烈度七度，框架抗震等级3级，设计基本地震加速度0.1 g,设计地震分组第二组，场地类别II类，特征周期Tg=0.4s阻尼比0.02；基本风压0.33 kN/m2。周期折减系数0.70。

2、设计说明

基础采用筏板式钢筋混凝上基础，强度等级C35，柱为直径600,直径400直径的钢管混凝土，管内浇注C35混凝土。梁采用H型钢梁及钢管，挑檐、平台及支撑采用钢管，电梯井柱采用无缝钢管.梁与柱、梁与梁间均采用焊接与栓接的栓焊接形式连接，即翼缘与柱接头为熔透焊接，腹板为高强度螺栓连接，柱与柱连接采用熔透加衬管焊接。支撑与柱，梁采用焊接连接。楼板采用压型钢板组合楼板.

PKPM软件建模分析

在SATWE整体计算模型中，柱、梁采用空间杆单元，楼而采用弹性楼板假定，梁与柱的连接节点为刚性节点，上部结构与地下室整体参加计算，整体结构的嵌固点在基础底板处，考虑上体对地下室的约束作用。

对PKPM计算位移结果及振型图分析可得（由于篇幅有限，具体数值不在此述），结果表明.由于采用了钢结构，各楼层的质点质量代表值比一般的混凝土结构小得多，因此地震引起的层间位移并不比风荷载引起的大得多。X, Y轴为钢框架，柱，梁均为强轴，满足刚度要求，顶点位移和层间位移均满足规范要求，该工程结构布置合理，结构体系可行。

ANSYS软件建模分析

建模时采用的是beam 188,假此结构的弹性模量为E=206Gpa,泊松比取0.28,密度取78KN/m3,校型共2284个梁单元，7686个节点，活载及未建模的恒载采用等效密度的方法进行考虑。计算工况分四步.(1)进行结构模态分析，了解结构的基本周期及固有频率，(2)进行结构的地震响应谱分析，(3)采用EI地震波进行结构的瞬态动力响应时程分析。(4)对错位的节点进行分析.

模态分析结果表明，尽管远震时一般结构主要表现为水平振动，但挑檐周期的较早出现说明挑檐的相对刚度仍是一较薄弱的环节；相应谱分析主要是分析结构的刚度设计及抗震能力是否足够安全；时程分析结果表明，该结构设计在高能量地震作用(谱分析按8度设防，时程分析最大地震加速度为0.26g)下的变形行为及抗力满足规范要求。

以下对（4）进行详细论述。节点模型按CAD倒入，柱上、下各取8OOmm的高度，下柱一端固定，上柱及其它部位按地震计算所得的内力加载进行节点力学行为的计算分析，钢柱及梁材料参数采用Q345B,建模时未考虑焊接接点，在焊接处认为连接牢固。

分析应力最不利位置及其屈服承载能力及失效载荷，计算得到的等效应力云图。

图1 节点网格图及等效应力云图

由图可知由于简化的原因，最大的应力出现在最低点的固定端，最大应力超过了钢的屈服极限，说明最大应力处已经进入塑性，而在两管及管一与节点板的交错处亦有较大的应力出现，但均未进入塑性。

结论

(1) ANSYS有限元模型计算得到了舍利塔振动模态，与PKPM计算结果符合.

(2)对复杂钢结构体系，因节点域构造复杂，其应力分布需进行补充计算，并应根据有限元分析结果进行承载力验算。

(3)钢针混凝土柱具有强度高，延性好，耐疲劳，耐撞击等特点，不存在局部失稳问题，既可以节省钢材，又可适当地增加结构抗侧刚度，防火性能也不错，能很好地适应于高层钢结构建筑。

参考文献

【1】《钢结构设计手册》编辑委员会，钢结构设计手册下册〔M].北京，中国建筑工业出版社，2007. 5, 21

【2】黄新伦，李建业.超高空钢结构安装的安全防护技术.建筑安全，2009, (10).P35-38.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。