彈塑性分析在超高層建筑結構設計中的應用

鄒華富

摘? ? 要：建筑行業在國民經濟中的地位一直是相當穩固，這些年來，我國的經濟發展帶動了建筑行業的迅猛發展。不少高樓大廈拔地而起，而建筑物的穩定性、安全性首要考慮的問題，材料的彈塑性分析在建筑行業的應用理應受到更多的關注。因此本文將從超高層建筑入手，討論彈塑性分析在提高建筑的防震性能中的應用。

關鍵詞：彈塑性分析;超高層建筑;防震能力;模型分析

1? 前言

近些年來，隨著全球經濟朝著向好發展的局勢，全球高樓的數量日益增多，我國香港、深圳、上海、廣州等城市的高樓數量在世界上名列前茅。這些年我國的“四個現代化”的總體目標鞭策著國人不斷努力奮進，越來越多的人想要在大城市中奮斗和扎根，這也就加快了城鎮化的進程。因為供城市不斷擴張的土地不斷減少，所以城市開始“向上”發展，高樓平地而起。建筑物的高度增加，對建筑行業的相關要求也更加嚴格。而防震能力也是在評估建筑群的安全性時所需要考慮的。

2? 提高城市建筑物防震性能的必要性

由于現在愈來愈多的人來到大城市生活和工作，城市土地的面積有限等諸多原因，城市需要不斷地修建更多的超高層建筑來容納日益增加的人口。現如今，我國的高層建筑規模，相較于其他國家已經進入了高速發展的階段，各大城市也涌現設計風格各異的高層建筑。但是一些復雜結構的建筑物在追求獨特風格和美觀的同時，在抗震需求方面可能并未達到國腳要求的安全范圍，這給人民群眾的生命和財產安全留下極大的隱患[1]。同時，我們也常在新聞上看到一些豆腐渣工程和一些地區發生地震的報道，這給社會也帶來了一些不好的影響。因此，著力于研究如何去提高高層建筑的抗震能力，提高超高建筑物的安全性，是造福于人民和社會的大事，是應當受到建筑設計師和城市建設者的共同關注。所以提高城市超高層建筑的防震能力是城鎮化所必要的。

3? 彈塑性分析

3.1? 靜力彈塑性分析方法

彈性和塑性是材料的基本特性，彈塑性的分析在工程材料學、工程力學中都是重要的研究內容。靜力彈塑性分析法，又稱為推覆法和靜力載荷增量法。物體在受到外界作用力的情況下，其自身的結構會發生一定程度的變化，因此在特定條件下需要對材料進行力的分析。在實際建筑物結構變化的分析過程中，會加入一個變化的側向力來提高實驗分析的精度。當這個外加側向力開始變化時，建筑物的架構首先會發生彈性變形，當外界力對構架的作用超過了構架的屈服強度，構架就會發生不可逆轉的塑性變形，最后出現結構性的位移，甚至是斷裂。因此，確定在這個過程中的最大的彈塑力，對建筑物是否達到規定的抗震標準有著極其重要的參考意義。這種全新的方法為建筑設計師們提供新的參考，為行業的發展提供了保障。

3.2? 材料的本構關系與塑性鉸分析

由工程力學的相關內容可知，在進行靜力彈塑性分析時，常用的方法都是建立彎矩與轉角或曲率之間的關系來確定構件材料的靜力關系。材料的本構關系主要是由構件的橫截面構成。在此關系中，地震對建筑物構件的力影響會造成實際結構的變化。從這方面來看，可大致分為以下四類，構件可立即恢復、出現結構性的損壞、威脅生命安全和徹底的結構破壞。

3.3? 水平力的分布模式

在分析側向載荷的分布形式的過程中，從力的結構變化方面來看，它可以得出在不同震動條件下，不同結構層的慣性力分布形式不同，也可以體現出實際破壞的大小。就目前的研究結果而言，側向力的分布模式可分為固定模式和實時模式這兩類。

就固定模式而言，在實際中它又可以拓展為以下三個小分支：SRSS分布模式、均勻分布模式、倒三角分布模式。SRSS分布形式主要是能直接顯示出慣性力，分析的過程十分的簡便;均勻分布主要是能夠得到重力與實時側向載荷之間的關系，進而再得出慣性力的分布;倒三角分布主要是以構件的結構構型為基礎，進而再得到慣性力的分布[2]。在實際的分析中，由于只應用一種模式無法反映受力與形變之間的真實關系，所以在實際應用中一般會采用至少兩種模式進行綜合的分析。

第二種實時模式，與固定模式相比它是一種理想化的研究水平力分布的模式，所以又稱為非固定模式。它可以較好的用于側向負載與對應的分析。在這種模式下的求取總水平力和水平力分布分析都是采用周期性的研究。它是在逐漸增加建筑物的相應構件上的側向水平力的過程中，觀察構件在塑性變形的全過程和最終構件的破壞程度，進而通過一系列的計算得出建筑物應對地震破壞的能力大小。

4? 彈塑性方法在超高層建筑結構設計中的應用分析

4.1? 在假設的條件中對抗震計算結果的模型進行對應的分析

在整個建筑物的結構中，只有鋼筋混凝土結構能夠擁有抗震得作用。現在我們假設有一個樓群模型，它只包含有兩幢建筑物，高度分別是100m和260m，在設計和施工時規定的抗震烈度是7度。在對其抗震能力檢驗和分析時，設置地震等級為7級，地震產生得加速度為0.1G，由此可知該結構得設計，不但可以達到規定得抗震能力，而且得到了較好得經濟效益。該建筑的中心結構是鋼筋混凝土筒中筒，外筒為框架筒，內筒主要是剪力墻核心筒。根據我國國標對建筑行業相關技術做出的要求可知，B級高度下的鋼筋混凝土主筒的中筒的高度要小于230m。超高層建筑的受力構件主要包括梁柱和剪力墻，其中梁柱是整體構件，主要是應用牢間桿單元對受力情況進行模擬，但是實際的應用的情況往往和模擬的情況是不同的[3]。在現實生活中的受力情況下，梁有三種連接方式，分別是兩端固定連接、一邊固定一邊鉸鏈連接和兩端鉸鏈連接。在實際建筑中往往存在較大體積基面的情況，這時的剪切力和形變情況還要考慮更多的因素。

4.2? 通過模型分析靜力彈塑性的方法

在進行靜力彈塑性的分析時，可以構建一個三維有限元模型。科學研究表明，當發生地震烈度為七度的地震時，建筑的構件間的位移是1164mm，該數據在安全范圍之內，整個建筑物只有極小可能會坍塌。然而經過模型分析后，發現由于異形柱的原因，建筑物的頂部和底部的某些柱子上出現了塑性鉸。由此也可以知道，在模型結構的分析和計算中，舍棄型鋼，一些相應位置沒有按照相應鋼筋配比的要求進行實驗模擬，同樣會造成上述問題的出現。

4.3? 對彈塑性的動力時程進行相關分析

在對建筑模型進行數據分析的過程中，對彈塑性及其動力時程的相應的受力進行對比和分析后，能夠直觀的了解到，在整個建筑中塑性鉸的分布時相對來說比較均勻的，但是在應用彈塑性動力時程進行更加具體的分析之后，可以得知其結果更加具有廣泛性。同時通過一些數據的分析，可以初步的判斷出其結構是具有一定的安全系數和較好的防震效果。與此同時，這一現象普遍存在于模型分析出的結果當中，大體上是可以認為這是高振型模型自身帶有的，并且還沒有融入彈塑性分析方法。

然而該問題也讓模型分析與實際地震造成的破壞有所不同，這也是不可避免的。

5? 結束語

在建筑物在設計過程中，首先要關注它的抗震的能力，這也將成為未來工程實際中抗震工作的發展趨勢，彈塑性分析的方法也將受到更多專業人士的應用。同時使用彈力彈塑性方法和彈塑性動力時程，能夠推動建筑物抗震設計，還可以為超高建筑物的發展提供模型借鑒。

參考文獻：

[1] 何劍平框架—核心筒超高層結構彈塑性分析[D] 大連理工大學，2013.

[2] 方鴻強，章宏東.靜力彈塑性分析在超高層建筑結構抗震性能評估中的研究與應用[A].漢嘉創新技術年會[C]， 2011.

[3] 李曉云，龔麗蓉.靜力彈塑性分析方法在高層建筑結構設計中的應用[J].黑龍江科技信息，2017（1）：221～222.