彈塑性分析理念在超高層結構設計中的滲透

石 磊 （武漢市規劃設計有限公司，湖北 武漢 430000）

1 提高建筑物抗震性能的必要性

對比世界各國家的建筑建設規模，我國高層建筑工程的建設規模相對處于一個較高的水平，同時，建筑樓層的高度也在不斷地增加，并呈現出多種結構極其復雜的體型，有些超高層的建筑在結構抗震方面的設計已經遠遠超出了國家在抗震設計上的相關要求、規范，并超過了國家對超高層建筑在高度和建筑結構方面的相關規程和范圍要求，如果只是一味地用沒有更新的方法預防超高層建筑的抗震性能而不對其加以討論和有效分析，在最大程度上促進建筑物抗震性能的提升，會對建筑結構的安全性和抗震方面的可靠性產生巨大的威脅。因此，必須要利用新的技術方法，有效提高超高層建筑物抗震性能。

2 彈塑性方法

2.1 靜力彈塑性方法

靜力彈塑性方法也就是一定程度上的靜力推覆分析方法，此方法中最主要的判斷依據建筑結構自身的實際情況，當然，也會為建筑結構添加少量的側向力。若側向力逐漸變大，就會讓建筑架構歷經彈性、開裂、屈服、結構控制位移等多個階段，但也只有這樣才能在最大程度上促進建筑結構達到預期的唯一目標或成為機構，也能讓研究者充分了解地震對建筑機構產生的影響[1]。

2.2 材料本構關系和塑性鉸特點

通常情況下，靜力彈塑性的分析方法都是用構件截面的彎矩轉角關系或彎矩曲率來表示材料之間的關系。如圖所示是各種塑性鉸的本構關系。

塑性鉸的本構關系

根據ATC-40，若遭受地震，則可能表現出立即恢復IO（Immediate Occupancy）、損壞控制DC（Damage Control）、生命安全LS（LifeSafety）及結構失穩SS（Structural Stability）4種不同的狀態。同時，此標準還能給出墻、柱、梁等構件在4種不同狀態下的塑性限值。

2.3 水平力的分布模式

側向荷載的分布形式不但可對地震作用下結構層慣性力的分布特征充分體現，還能讓求出的位移數據在最大程度上對地震作用下的結構位移狀況進行真實反映。就目前的實際情況來看，在對靜力彈塑性進行分析的過程中，可有效地將側向荷載分成兩大類。

第一類是應用比較普遍的固定模式，FEMA-273推薦的形式可分為以下3種：a.SRSS分布，此種分布形式能對譜振型組合得到的慣性力進行充分反應；b.均布分布，此種分布形式中所在樓層重力大小是各樓層側向力的直觀反映，并能反映譜振型組合得到的慣性力分布；c.倒三角分布，此種分布形式是一種以結構振型為基礎振型的慣性力分布形式。不論是哪種荷載的分布方式，都不可能對結構的全部變形和受力要求進行反映，所以，在實際的工程應用中，都需要對兩種或兩種以上的荷載分布方式進行討論和分析。

第二類是實時模式，即不固定的模式。這種模式是一種理想型的水平力分布方式，也就是主要進行適應性的側向力加載和分析[2]。按照不同工作階段中結構的周期借助反應譜求取作用在結構上的總水平力，并依據結構的振型對水平力的分布方式進行有效確定；將某種分布的水平力施加在結構上后對水平力的數值進行逐步增加，在最大程度上促進結構中的各個桿件慢慢進入塑性。通過結構逐漸進入塑性，整個建筑結構在動力特性方面也會發生相應的變化，所以，也可以反過來對水平力的分布和大小按照實際需要進行調整，如此反復，確保建筑結構最終能達到預定的破壞目標。

3 彈塑性方法在超高層建筑結構設計中的應用分析

3.1 對假設條件和計算模型進行分析

某市的一座群樓，建筑高度為7層，其中包括2個酒店和1個辦公樓，主要高度分別為100m和260m。此建筑的主結構分為地下3層和地上66層，每層樓的設計標準高度為3.9m，但地下3層和避難層的高度均為5m。按照建筑強度來看，此建筑物的抗側力體系結構最主要的還是鋼筋混凝土[3]。

此工程的抗震防烈度設置為七度，地震分組為第一組，主要場地設置為11級，基本地震加速度進一步設計為0.1g。這樣做不但能在最大程度上確保工程的經濟性，同時還能保證其有效達到技術的可操作性。此工程中的結構主要是鋼筋混凝土筒中筒，外筒使用的是框筒，內筒是鋼筋混凝土剪力墻的核心筒。國家有關規范中明確標出：在B級高度的鋼筋混凝土中，主筒中筒的最高高度應≤230m。一般情況下，在超高層建筑中，最為基礎的受力構件主要是梁柱和建筑支撐剪力墻，其中，梁柱屬于一種構件，借助牢間桿單元可以模擬受力的情況，但現實中的受力情況也會存在一定的差距，按照此不同，可以將其分成3種不一樣的方式，即鉸接梁段、兩端固定和一端鉸接另一端固定。如果有比較大的基面存在于梁柱之間，則需要根據實際情況考慮剪切的變形情況。

3.2 對靜力彈塑性的方法進行分析

通過非線性的有限元分析計算軟件時，可以借助三維有限元模型的構建來分析工程的靜力彈塑性，表1是此次的分析結果。在進行相關的分析研究后可得出，在遭遇7。罕遇地震后，建筑結構的牢間位移等于1164mm，此數值相比于其他數值而言，屬于相關規范內彈塑性層位移角限制的最小值。所以，若此建筑工程不幸遭遇到7。地震時，倒塌的可能性不大。有些柱子在頂部和腳步的位置會存在塑性鉸，出現這種現象的主要原因是此時的角柱在很大程度上屬于異形柱，所以，可以推斷出型鋼并沒有參與整個模型的計算和分析。當然，針對上部存在塑性絞的地方，也沒有對混凝土柱的配筋按照要求和實際情況作出相應的調試（如表1所示）。

靜力彈塑性的分析結果表1

3.3 對彈塑性的動力時程進行分析

通過研究表1數據可看出，間層的彈塑性位移和有關規范之中所規定的的角限值非常小，所以可以通過此數據來判定此工程結構具有相對較高的安全性和可靠性。比較分析彈力塑形和彈塑性動力時程可以更為清楚地看出，此工程之中存在的塑性鉸分布區域基本相同，但借助彈塑性動力時程計算分析得到的塑性鉸分布區域會較精力彈塑性得到的分布區域更為廣泛。針對此現象和情況，可以考慮是否是靜力彈塑性分析方法未將高振型本身發揮的作用納入計算和思考的范圍之內，這就會讓通過加載模式分析得出的影響和真實地震產生的影響在一定程度上存在差異[4-5]。

4 結語

綜上所述，將建筑結構的抗震設計建立在建筑的性能基礎之上，會是工程抗震未來發展的必然趨勢，所以，討論和分析其實用性，是全世界范圍內地震工程領域中非常重要的研究課題之一。其中，靜力彈塑性的分析方法能有效實現超高層建筑結構的抗震性能，這也引起也不少專家學者的廣泛關注。而從文章的研究來看，在進行超高層建筑施工的過程中，不論是采用靜力彈塑性的分析方法還是采用彈塑性動力時程的分析方法，都不會影響其在地震作用的狀態下的判斷和分析，而且兩種方法都是建筑過程中不能缺少的，且能起到很重要的積極作用。通過對彈塑性進行分析和討論，可以更容易地發現整個建筑結構體系之中隱藏的薄弱環節和部位，通過推斷結構的破壞次序，能為高層和超高層的建筑結構在施工過程中提供借鑒，具有非常重大且深遠的實際作用。