超高层建筑全钢结构与钢-混结构方案弹塑性分析比较

超高层建筑全钢结构与钢-混结构方案弹塑性分析比较

张成林

云南省城乡规划设计研究院 云南昆明 650000

摘要：本文以某超高层建筑为例，通过静力弹塑性对该建筑全钢结构和钢-混结构弹塑性进行了分析，并比较了两者的分析结果。研究结果表明，该超高层建筑全钢结构和钢-混结构均符合建筑抗震设计要求，在弹塑性方面，全钢结构具有的弹塑性优于钢-混结构具有的弹塑性。

关键词：超高层建筑；全钢结构；钢-混结构；弹塑性

引言：某超高层建筑工程共进行了两次建造和设计：第一次建造施工主要采用全钢结构，在地上建筑建设到7层后对钢结构进行了拆除；第二次建筑施工主要采用钢-混结构，目前该建筑施工工程已经建设完毕。本文主要利用静力弹塑性分析法对该建筑全钢结构和钢-混结构弹塑性展开分析，并对分析结果进行了比较。

一、工程概况

某超高层建筑共有92层，其中地上建筑共有77层，地下建筑共有5层，建筑裙房共10层，建筑总体高度为351.5m。该建筑38层以下钢-混结构外框柱为钢骨砼柱，钢筋砼截面尺寸范围在1700×1700～1500×1500之间；钢骨材料为圆钢管，尺寸在D1400×35～D1200×300之间；建筑39层以上钢骨为D1200钢管砼柱；裙房以上建筑均采用H型钢梁，裙房以下建筑采用混凝土梁。建筑剪力墙筒体为钢骨柱梁。建筑整体结构外框柱网相对较大，悬挑梁、角部无柱为4.45m。建筑全钢结构和钢-混结构剖面图如图1所示。

图1 钢-混结构（图左）和全钢结构（图右）剖面图

二、超高层建筑钢-混结构弹塑性分析

（一）弹塑性分析基本条件

本文主要分析该建筑地上77层建筑，高度为351.5m，裙房仅以塔楼地上部分作为分析条件，在分析过程中对于建筑钢骨砼柱利用抗压、抗弯和刚度与其相近的钢柱代替。利用ETABS对建筑前6个自振周期进行计算，6次振型分别为8.0206、7.9220、3.0441、1.8805、1.8480、1.1816。该建筑工程地震波包括罕遇地震和多遇地震，其中罕遇地震波包括JKL1、JKL2、JKL3、JKL4；多遇地震波包括JKS1、JKS2、JKS3、JKS4，这8种地震波中JKS4和JKL4均为人工地震波，其余为天然地震波。为分析全钢结构和钢-混结构弹塑性之间的差距，本文在I类施工场地选取了两条地震波，第一条地震波为美国旧金山地震波；第二条地震波为日本神户地震波。

根据超高层建筑抗震设计要求，该建设工程多遇地震波最大加速度为35gal，罕遇地震波最大加速度为220gal；建筑双向地震波次方向最大抗震参数为187gal。地震波持续时间为自振周期的5～10倍[1]。

在分析弹塑性过程中，建筑阻尼比取值为5%；柱单边配筋率取值为0.6%；剪力墙配筋率取值为0.4%，暗柱取值为17%；建筑连续梁配筋为0.8%。

（二）静力弹塑性分析

利用ETABS软件对建筑钢-混结构静力弹塑性进行分析后，计算出了建筑7级等级下地震需求和建筑结构能力之间的性能控制点。根据计算技术总结得出，建筑抗侧力构件能够满足建筑地震性能需求，并且钢-混结构并未出现造成建筑倒塌的问题。

建筑核心筒底部位置第一层伸臂桁架层下方位置剪刀墙拉应力和剪应力已经超过建筑砼的抗拉强度，并且已经出现了弯曲裂缝和剪切斜裂缝。从压应变来看，剪刀墙压应变并未超过砼的极限值，因此并未出现砼碎裂的情况；第二层和第三层桁架层和顶部桁架层剪力墙并未发生弯曲裂缝，但是已经出现了剪切裂缝；核心筒顶部桁架层和建筑52层以下建筑剪应力相对较大，并且已经出现了建筑被破坏的情况[2]。

三、超高层建筑全钢结构弹塑性分析

（一）静力弹塑性分析

静力弹塑性分析是一种评价建筑结构弹塑性和抗震性能的主要方法，该方法在适用性方面存在一定限制，其仅适用于以建筑第一振型为主的结构。本文利用该方法主要对建筑全钢结构和钢-混结构弹塑性进行定性分析。

（二）7级地震静力弹塑性分析

该建筑在18～26楼楼层与核心筒之间的连接梁端位置均出现了塑性铰。当梁端位置塑性铰进一步发展后，建筑加强层和裙房顶中的核心筒也会出现塑性铰。并且随着塑性铰顶点位移距离不断增大，裙房顶塑性铰的发展速度和数量会超过梁端塑性铰[3]。

当建筑加强层以下位置塑性铰顶点位移距离超过1.8m时，建筑塑性铰位置会出现不断上移的情况，并且加强层桁架腹杆和梁端位置也会出现塑性铰。

从建筑塑性铰发展速度和数量来看，当塑性铰顶点位移距离超过2m时，塑性铰处于极限状态下，并未进一步发展，由此表明全钢结构支撑柱在抗震方面有着良好的性能。全钢结构具有较好的柔软性，其最大自振周期超过了9.0s，按照7级抗震要求、场地类别等条件分析后发现，该建筑地震作用相对较弱。另外，当建筑全钢结构抗震性能达到最大值时，建筑楼层最大位移角为1/232，该值小于建筑抗震要求的1/50的最大极限值要求，由此可见，建筑全钢结构具有良好的安全性和抗震性[4]。

四、建筑全钢结构和钢

-混结构弹塑性分析比较

超高层建筑全钢结构和钢-混结构在7级地震环境下，建筑楼层层间位移距离可以满足建筑抗震要求；在中级地震环境中，建筑竖向及抗侧力构建均保持弹性状态；在高级地震环境中，建筑竖向构件和结构墙，并未出现严重的损伤，由此表明，钢-混结构在7级罕遇地震环境中能够满足建筑抗震需求。

在对建筑JKL4人工波进行分析过程中，建筑钢-混结构混合土连梁共形成77处塑性饺，钢梁形成塑性饺数量为11处，剪力墙形成塑性饺数量为5处，共93处；全钢结构塑性饺形成数量共80处，而建筑竖向构件并未形成塑性饺[5]。

通过对全钢结构和钢-混结构在7级地震环境中静力弹塑性进行分析后发现，钢-混结构剪力墙具有的拉应力和剪应力均已超过建筑混凝土最大抗拉值，并且建筑已经出现了弯曲裂缝和剪切斜裂缝，甚至建筑连梁部分也均出现了大量的裂缝；全钢结构伸臂桁架和支撑屈服性较好，并且竖向构件并未出现屈服情况，建筑构件屈服性能均在理想损耗范围内。由此表明，建筑全钢结构弹塑性比钢-混结构弹塑性强。

全钢结构刚度较小、质量较轻，在地震环境中的剪力为47001Km，而钢-混结构剪力为93440Km。在建筑结构发生最大位移后，全钢结构位移距离为1/255，钢-混结构最大位移距离为1/332。与钢-混结构相比，全钢结构出现构件屈服的问题较少。

结论：综上所述，钢-混结构在中级地震环境中，建筑构件弹塑性较好，可以满足建筑对中级地震的抗震要求。在高级地震环境中，钢-混结构承重构件和抗侧力构件并未出现屈服的情况，而建筑底部伸臂桁架和顶部墙体存在少量屈服情况，但是钢-混结构整体并未出现建筑倒塌机制；全钢结构地震剪力相对较小，为钢-混结构的50%，并且在顶层位移距离方面也小于钢-混结构，从整体来看，全钢结构弹塑性优于钢-混结构。

参考文献：

[1]黄瑞麟, 黄勇, 董云. 基于几种钢-混凝土组合柱超高层结构的静力弹塑性分析研究[J]. 信息记录材料, 2019, 20(5):6.

[2]完海鹰, 吴限, 陈安英. 高层装配式钢结构住宅结构优化[J]. 安徽建筑, 2020, 27(11):3.

[3]李军林. 建筑混凝土结构与钢结构设计中的特点和方法[J]. 中国建筑金属结构, 2022(4):3.

[4]王顺美. 钢-混凝土组合结构中钢结构施工关键技术[J]. 中国住宅设施, 2019(6):3.

[5]孙赞, 王志龙, 王禧瑞,等. 既有混凝土结构上小柱网钢框架加层抗震分析[J]. 工程与建设, 2021, 35(6):3.