强震区高层钢结构施工过程抗震性能演化规律及临时支撑优化设计

一、引言

在全球地震活动频繁的背景下，强震区的建筑安全问题愈发受到关注。高层钢结构凭借其强度高、自重轻、施工速度快等优势，在强震区的城市建设中得到广泛应用。然而，在施工过程中，高层钢结构的抗震性能会随着施工阶段的推进而发生复杂变化，且临时支撑作为施工期间保障结构稳定性的关键措施，其设计合理性对结构抗震性能影响显著。深入研究强震区高层钢结构施工过程抗震性能演化规律，并进行临时支撑的优化设计，对于提高施工安全性、保障工程质量以及降低地震风险具有重要的现实意义。

二、强震区高层钢结构施工过程特点

（一）施工阶段的复杂性

高层钢结构施工是一个动态过程，从基础施工到主体结构安装，再到维护结构及设备安装等阶段，结构体系不断变化。在基础施工阶段，主要面临地基处理和基础浇筑的难题，如在强震区可能需要采用特殊的地基加固措施以提高基础的稳定性。主体结构安装阶段，随着楼层的逐渐升高，结构的受力状态不断改变，结构的刚度、质量分布以及自振特性等动力参数也随之变化。不同施工阶段，结构的抗震性能存在显著差异，早期施工阶段结构尚未形成完整体系，抗震能力相对较弱。

（二）临时支撑的重要性

在高层钢结构施工过程中，临时支撑起到维持结构稳定、传递施工荷载以及抵抗施工过程中可能出现的地震作用等关键作用。在结构安装初期，钢梁和钢柱之间的连接尚未完全形成刚性连接，结构的整体稳定性较差，此时临时支撑能够有效地防止结构失稳。在强震区，地震作用具有不确定性，临时支撑的合理设置可以在施工期间为结构提供额外的安全储备，确保在遭遇突发地震时，结构不发生倒塌等严重破坏。

三、强震区高层钢结构施工过程抗震性能演化规律

（一）结构动力特性的变化

随着施工的进行，高层钢结构的质量和刚度分布逐渐改变，从而导致结构的自振周期、振型等动力特性发生变化。在施工初期，结构构件数量较少，质量较轻，刚度也相对较小，结构的自振周期较短。随着楼层的增加，结构质量增大，刚度也有所变化，自振周期逐渐变长。例如，在 A 强震区在建高层钢结构项目中，通过对不同施工阶段的结构进行动力测试，发现结构自振周期从基础施工完成后的 0.5s 逐渐增加到主体结构施工完成时的 2.0s。这种自振周期的变化会使结构在地震作用下的响应发生改变，若自振周期接近地震动的卓越周期，可能引发共振现象，加剧结构的地震反应。

（二）地震响应规律

不同施工阶段，高层钢结构在地震作用下的响应规律也有所不同。在施工初期，由于结构体系不完善，结构的整体性较差，地震作用下的内力分布较为复杂，局部构件可能出现较大的内力。随着施工的推进，结构逐渐形成整体，内力分布趋于合理，但由于结构高度增加，地震作用产生的水平力也相应增大，对结构的抗侧力能力提出更高要求。研究表明，在强震区，施工中期结构的层间位移角可能会随着施工进度的推进而出现先增大后减小的趋势，这与结构体系的逐渐完善以及刚度的变化密切相关。

（三）影响因素分析

影响强震区高层钢结构施工过程抗震性能演化的因素众多。结构自身的施工顺序对其抗震性能影响显著，合理的施工顺序能够使结构在施工过程中逐步形成稳定体系，减少临时支撑的受力。例如，先安装核心筒结构，再安装外围框架结构，能够在施工过程中较早地形成稳定的抗侧力体系。此外，施工荷载的大小和分布也会对结构抗震性能产生影响，施工过程中的材料堆放、设备停放等临时荷载若分布不合理，可能导致结构局部受力过大，降低结构的抗震能力。同时，强震区地震动特性的不确定性，如地震波的频谱特性、峰值加速度等，也会使结构在施工过程中的抗震性能表现出较大差异。

四、强震区高层钢结构临时支撑优化设计

（一）临时支撑设计原则

在强震区高层钢结构临时支撑设计中，首先要遵循安全性原则，确保临时支撑在施工全过程中能够承受结构自重、施工荷载以及可能遭遇的地震作用，不发生失稳或破坏。其次，要考虑经济性原则，在满足安全要求的前提下，尽量减少临时支撑的材料用量和施工成本。同时，临时支撑的设计还应具备可操作性，便于在施工现场进行安装和拆除。例如，采用标准化、模块化的临时支撑构件，能够提高施工效率，降低施工难度。

（二）优化设计方法

1、基于结构力学的分析方法：通过建立施工过程中不同阶段的结构力学模型，运用结构力学原理对结构进行受力分析，确定临时支撑的合理布置位置和受力大小。例如，采用有限元软件对结构进行模拟分析，考虑结构的几何非线性和材料非线性，能够更准确地预测结构在不同工况下的受力状态，从而优化临时支撑的设计。

2、考虑地震动特性的设计方法：由于强震区地震动特性复杂，在临时支撑优化设计时，需充分考虑地震波的频谱特性、峰值加速度等因素。根据不同的地震动输入，对结构进行动力时程分析，评估临时支撑对结构地震响应的影响，进而调整临时支撑的设计参数。例如，对于高频地震动作用下的结构，可适当增加临时支撑的刚度，以减小结构的振动响应；对于低频地震动作用下的结构，则可优化临时支撑的布置方式，提高结构的整体稳定性。

3、多目标优化方法：临时支撑的优化设计往往需要同时考虑多个目标，如安全性、经济性和施工便利性等。采用多目标优化方法，能够在多个目标之间寻求平衡。例如，运用遗传算法、粒子群优化算法等智能优化算法，将临时支撑的材料用量、结构的地震响应以及施工时间等作为优化目标，通过迭代计算，得到满足多个目标要求的最优临时支撑设计方案。

（三）新型临时支撑技术

1、可重复使用的临时支撑体系：为了提高临时支撑的经济性和环保性，研发可重复使用的临时支撑体系具有重要意义。这种体系采用高强度、可拆解的材料制作，在完成一个项目的施工后，可拆解运输至其他项目继续使用。例如，采用铝合金材料制作的可拼接式临时支撑，其质量轻、强度高，且便于安装和拆卸，能够有效降低临时支撑的成本。

2、自适应临时支撑技术：针对施工过程中结构受力状态不断变化的特点，自适应临时支撑技术能够根据结构的实时受力情况自动调整支撑的刚度和受力大小。通过在临时支撑上安装传感器和智能控制系统，实时监测结构的变形和受力，当结构受力发生变化时，自动调节临时支撑的参数，以保证结构的稳定性。这种技术能够更好地适应强震区复杂的施工环境和地震作用的不确定性。

五、结论

强震区高层钢结构施工过程中，其抗震性能呈现出复杂的演化规律，结构动力特性、地震响应等随着施工阶段的推进而不断变化，且受到施工顺序、施工荷载以及地震动特性等多种因素的影响。合理设计临时支撑对于提高施工过程中结构的抗震性能至关重要，通过遵循安全性、经济性和可操作性等设计原则，采用基于结构力学分析、考虑地震动特性以及多目标优化等设计方法，并结合可重复使用的临时支撑体系、自适应临时支撑技术等新型临时支撑技术，能够实现临时支撑的优化设计，有效保障强震区高层钢结构施工过程的安全。

参考文献

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