異形薄壁預應力混凝土構件的施工方法探討

陳力康　徐可　陳宇

摘要：文章針對有特定不規則形狀的薄壁預應力混凝土構件的施工方法提出了一套切實可行的方法，并通過制造一艘混凝土輕舟對該方法進行了實際檢驗，獲得了預期的效果，為工程中的異形薄壁混凝土的制造及預應力的施加提供了理論基礎和示范案例。

關鍵詞：異形混凝土；薄壁構件；預應力；混凝土輕舟；水工；橋梁 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU37 文章編號：1009-2374（2016）15-0110-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.15.052

由于結構在進入中震或大震后，勢必要部分進入彈塑性，因此建造高層建筑時，需要對其進行彈塑性分析，以此保證高層建筑達到塑性標準要求。但是高層建筑結構的彈塑性分析并不簡單，需要進行比較復雜的計算。目前針對于此項工作，國內外已經研發了相應的軟件程序，但是一大部分軟件的實用性都不是很強，特別是前后處理功能不夠完善，無法達到現實需求。現階段，我國高層建筑結構彈塑性分析方法主要有兩種：一種是靜力分析法；另一種是動力時程分析法。

1 高層建筑結構彈塑性影響因素分析

地震發生時，若高層建筑結構依然保持在彈性狀態下，此時建筑材料滿足于虎克定律，在這一情況下，建筑結構就會引起彈性地震反應。若地震作用較大時，建筑結構進入彈塑性階段，即結構變形無法滿足于虎克定律，此時建筑結構所引起的反應即為彈塑性反應。這兩者之間有很大的不同，現表述如下：

1.1 結構剛度和阻尼

圖1 彈性體系下的位移 圖2 彈塑性體系下的位移

與力之間的關系 與力之間的關系

彈性地震反應需要運用剛度矩陣，也就是常量矩陣，計算時需要依照相應的積分來逐步完成。其位移與力之間的關系如圖1。但彈塑性地震反應中，力與位移并不滿足于線性規律，若使用雙線性恢復力模型，只有位移同處一個直線段時，剛度矩陣才能夠是常量，但是如果兩個位移并不在同一直線，剛度矩陣就會出現產生影響。阻尼矩陣是由剛度矩陣構成，因此阻尼矩陣與剛度矩陣的變形趨勢基本上相同。

1.2 彈塑性反應的特殊性

在特殊的情況下，彈性地震反應可以等同于彈塑性反應。如果地震所產生的作用力并不非常強烈，同時結構屈服強度已經超過了一定限度，地震作用并沒有對高層建筑結構彈性造成非常明顯的影響，其所引起的振動范圍應該是如圖2。圖中的AD線段整個區域都屬于內震動，此時彈性地震反應與彈塑性地震反應所求得的解完全一致，因此可以將彈性地震反應當作是彈塑性反應。

1.3 地震力與位移反應

正常情況下，地震作用與彈性變形成正比，即地震越強烈，變形也會越大，而且這種變形沒有任何的限制。但彈塑性體系與之有很大的不同，若地震力已經能夠讓結構屈服，彈塑性變形能力增長就會越來越慢，達到一定程度時，就不會再增長，但結構變形卻不會因此而停止，會一直持續。因此基本上同一個結構，在受到同一個地震力影響，并不能簡單對塑性體系和彈性體系加以分析比較，再加之，塑性變形本身特殊性，沒有地震力減小得快，就會導致雖然地震力變小，但是變形能力卻因此增強（如圖2中的AD線段）。

1.4 結構強度與延性

通常而言，高層建筑結構屈服強度有所提升后，就會在一定程度上延遲高層建筑結構進入到塑性狀態的時間。工作人員可以借助提升強度方法來使得高層建筑結構擁有更強大的抗震能力。這是由于彈性地震反應關注的重點是強度。再加之強度增大，就會提升建筑物剛度，這就會使得建筑結構地震力會進一步加大，所以要想高層建筑結構強度超過地震作用力，既要花費多余的經濟成本，同時還需要克服技術上的難關。

高層建筑結構彈塑性地震反應與彈性反應有很大的差別，如地震反應未能達到高層建筑結構屈服標準時，建筑結構就會進入到彈性狀態中，而若地震反應力已經符合高層建筑結構屈服標準時，此時地震力就不會再提高，即便是提高速度也非常緩慢，而高層建筑結構則主要是依賴于塑性變形來抵消地震發生產生的作用力。所以如果能夠有方法提升建筑延性，就能夠在提升高層建筑結構的抗震性，在這種情況下，即使高層建筑結構損耗比較嚴重，也會保持挺立，基本上不會倒塌。

我國對于此已經有明確的規定，即對于不規則形式的高層建筑結構或者是結構中存在著明顯薄弱環節，或者是超高層建筑結構都必須要進行彈塑性變形分析，否則視為不合格，設計圖紙不給予通過。由于影響高層建筑物結構彈塑性變形能力因素非常多，因此整個計算工作非常復雜，需要工程人員非常細心和耐心，以免出現比較嚴重的錯誤。雖然世界上已經研發了比較多的計算程序來對高層建筑結構的彈塑性進行分析，但需要解決的一個非常重要的問題就是所選擇的計算模型要合適，同時還要選擇適宜的應用程序。

2 高層建筑結構彈塑性分析的結構模型

2.1 層模型

該模型主要是將層靜力依照相應的方法看作是彈簧串，而后對其展開相應的分析。該模型分析過程中需要對兩大方面進行計算：一方面是對層靜力特性展開來進行計算，通常是運用兩種方法，分別為增量法和能量法，將整個高層建筑結構用全曲線來進行表述，而后再一層層進行計算，而后再將其看作是骨架曲線，之后再運用三個點來進一步簡化骨架曲線，將其看作是剛度變化控制點；另一方面，動力時程響應計算，主要是在集中質量、串聯彈簧模型描述的層模型基礎上，對結構的動力響應進行計算。針對平面有偏心的結構，可以將每層設置一個主節點，從而構成串聯剛片系。而針對多塔下有裙樓結構，可以在裙樓取一主節點，塔樓各取一主節點，從而形成串—并聯拐把模型。

2.2 平面模型

平面模型主要應用于建筑結構的一個局部“榀”，對一榀框架進行時程分析。結構離散成“榀”這一模型化的過程決定了這種模型的精度。如果高層建筑結構的剛度分布得比較均勻，那么幾何的布置就相對來說比較規則，即正交或者與正交相接近，此時結構各榀之間影響不大，可以采用平面模型進行彈塑性動力反應分析。相反，如果建筑結構的剛度分布不均勻，幾何的布置就顯得很不規則所以很難分成“榀”，就算勉強可以分成“榀”，但是由于結構各榀之間相互影響比較大，此時不宜采用平面模型。

2.3 空間模型

空間模型主要是針對結構的整體，這種模型在對結構進行整體的彈塑性動力時程分析時的精度很高。但是由于沒有對整個建筑結構做比較大的簡化，因此造成了計算的工作量比較大，所需要的時間也因此而增加。特別是隨著結構自由的增加，計算時間會更大。

3 高層建筑結構彈塑性分析方法的具體應用

3.1 空間計算模型的具體應用

由于科學技術發展迅速，尤其值得一提的是計算機技術與計算數值技術進步幅度非常大，這對工程計算奠定了技術支持。現如今，高層結構彈塑性分析中大部分工作內容已經開始運用計算機，只是某些方面還不夠完善，但是不能否認的是計算機的應用前景非常好。由于計算機技術與數值計算技術的崛起，傳統的層模型與平面模型已經逐步被取代，現如今工程人員絕大多數都會選擇應用空間計算模型，而且在應用時通常與圖形分析技術相聯系，這樣不僅使得工程設計形象，也非常逼真，大大提升了高層建筑結構彈塑性的分析效率與精確度。

3.2 計算程序的選擇

有些情況下，盡管應用了大量的時間分析高層建筑結構的彈塑性，但卻未能取得良好效果，這可能是因為計算機分析軟件選擇不合理。因此為保證彈塑性分析順利進行，選擇一個合理適用的計算機分析軟件非常必要。目前，我國主要應用三種軟件來對高層建筑結構彈塑性展開相應的分析：第一，ABAQUS三維有限元彈塑性分析程序。該計算程序分兩個求解模塊，可用于線性和非線性的靜力和動力求解。優異的分析能力和二次開發能力使得在高層彈塑性分析中應用最廣泛：第二，SAP2000三維有限元彈塑性分析程序，此計算軟件有別于其他一般結構有限元程序的最大特點就在于它的強大的分析功能，它基本上集成了現有結構分析中經常遇到方法，如時程分析、地震動輸入、動力分析以及Push-over分析等，且前后處理功能也非常強大，工程應用非常方便；第三，MIDAS系列三維有限元彈塑性分析程序，此軟件是目前唯一全部中文化的土木專用彈塑性及細部分析軟件，此款軟件因其入手快、界面簡潔、操作方便，在高層建筑結構彈塑性分析領域應用也很廣泛。當然應用于高層建筑結構彈塑性分析的計算程序還有很多，只是其他類型軟件應用的比較少，所以在此對上述三種計算程序進行重點介紹。

4 結語

綜上所述，可知高層建筑彈塑性分析比較復雜，其影響因素非常多，因此分析結果是否準確很難確定。正是因為如此，高層建筑結構設計人員都非常關注彈塑性分析問題，也時常會進行多次計算分析。本文所進行的方法適用于大多數的高層建筑結構中，結構設計人員只要依照上述理論與方法展開工作，選擇合適的彈塑性計算模型和軟件，基本上都能夠確保高層彈塑性分析的正確性。當然，隨著彈塑性分析理論與計算機技術的發展，高層建筑結構彈塑性分析方法不僅限于此，設計人員需要不斷從實踐中汲取經驗、總結規律，以便尋找到更有效的分析方法。

參考文獻

[1] 汪夢甫，周錫元.高層建筑結構抗震彈塑性分析方

法及抗震性能評估的研究[J].土木工程學報，2003，

（11）.

[2] 王鑫，聶桂蘭.靜力與動力彈塑性分析在超限高層

建筑結構抗震設計中的應用[J].中國西部科技，

2009，（23）.

[3] 徐培福，薛彥濤，肖從真，王翠坤.帶轉換層型鋼混

凝土框架-核心筒結構模型擬靜力試驗對抗震設計的

啟示[J].土木工程學報，2005，（9）.

[4] 徐培福，戴國瑩.超限高層建筑結構基于性能抗震設

計的研究[J].土木工程學報，2005，（1）.

（責任編輯：小 燕）