彈塑性分析在超高層建筑結構設計中的應用

吳雨楊

(四川省建筑設計研究院有限公司設計三院, 四川成都 610000)

城鎮化水平不斷提高，城市可建設空間在不斷縮減，多數城市建筑開始向更高發展，這一演變雖然賦予了城市更多的生存地域，超高層建筑有效解決了該問題。然而，如何增強高層建筑的結構穩定性，也是建筑行業的首要問題，不僅要保證施工技術、設備等資源的應用質量，還要促進施工與設計環節的契合性，在建筑結構設計中解決質量隱患。因此，本文彈塑性分析技術作為研究對象，探析其在超高層建筑設計中的應用價值。

1 提升超高層建筑結構設計穩定性的重要性

建筑行業為適應行業市場需求，逐漸將超高層工程作為主要項目范疇，以此來緩解中低層建筑的密集擁堵問題，對于超高層建筑工程來說，會對建筑結構穩定提出較高要求，如果超高層建筑無法保證結構穩定性，會直接影響到建筑后期使用質量，采用彈塑性分析技術，對施工技術與材料進行優化，并且應用精確的超高層結構穩定性檢測技術，可以提升建筑結構設計方案的可行性，提前布置相應的防治措施，降低地震災害對超高層建筑構成的威脅。

2 彈塑性分析技術概述

彈塑性分析技術，指的是從建筑結構變化角度展開分析，通過對建筑結構施加外在應力，以此來判定建筑結構的穩定性，主要技術內容如下。

(1)靜力彈塑性分析技術方式，在針對建筑結構展開分析時，為了使分析過程更加準確，會針對建筑加入一定程度的側向力，并且在側向力逐漸提升的過程中，對建筑結構變化程度進行記錄，最后達到整個架構的屈服力極限值，針對建筑結構產生的位移情況進行測定，以此來判定建筑結構的穩定性與抗震系數。

(2)施工材料塑性分析技術，在圍繞建筑結構穩定性進行分析時，同樣是針對建筑加入一定程度的側向力，并且在側向力逐漸提升的過程中，對建筑材料變化程度進行記錄，相當于對建筑材料進行抗震測試，根據不同地震等級中材料的變化情況，可以對材料的安全等級進行劃分，并且將其歸類為構件立即恢復，出現構件損壞，威脅生命安全以及結構徹底破壞這四個方面。

(3)水平力分布模式分析技術，指的是在對建筑結構進行側向負荷測試時，根據建筑結構的變化，對不同結構層的慣性變化趨勢進行總結，以此來判定不同應力環境下，建筑結構與材料的變化程度，具體分為固定模式與實時模式，其中前者會根據建筑結構的變化情況進行分析，當建筑結構變化情況處于合理范圍時，則說明建筑結構設計方案具有可行性，而且材料與結構之間的穩定性滿足工程設計要求。反之當建筑結構的變化情況超出一定范圍時，則說明建筑結構設計方案存在質量隱患，需要結合彈塑性分析結果進行調整。而后者主要針對結構變化情況進行實時監控，并且準確記錄不同外力環境下，不同時間段中結構的變化程度。

3 彈塑性分析在超高層建筑結構設計中的實際應用

3.1 針對建筑結構穩定性進行假設模型分析

應用彈塑性分析技術，能夠對建筑結構穩定性進行模型分析，并且對超高層建筑結構提出假設性問題。例如某7層裙樓由兩棟主體建筑組成，高度分別是260 m和100 m，建筑主體結構包括有地上66層、地下3層，樓層高度是3.9 m。在進行建筑結構設計工作時，應用彈塑性分析技術對兩個主體建筑結構的穩定性進行驗證，參考鋼筋混凝土施工質量，保證其能夠滿足相應的抗震等級。同時在建筑結構設計的優化環節，不僅要從施工質量與效率方面進行考慮，而且還要兼顧超高層工程的成本投入，對高度范圍內的鋼筋混凝土質量進行判定。在實際施工情況中，超高層建筑通常以剪力墻構成主要受力構件，在整體建筑結構中，梁柱作為主要構件，應用彈塑性分析技術對其變化情況進行模擬分析，這樣可以對建筑施工提供準確的數據支撐，保證實際施工情況與預期模型分析結果相同。

3.2 應用模型對靜力彈塑性展開分析

其次是應用彈塑性分析技術構建三維有限元模型，并且將其代入到超高層建筑結構設計方案中，案例工程的靜力彈塑性結果如表1所示，根據表1可知，當超高層建筑受到七級以上地震的影響時，建筑層間位移是1/164，和規范中的彈塑性層間位移規定的1/120相比，處于安全位移范圍內，根據結果判定整體穩定性。當超高層建筑處于地震環境時，采用彈塑性分析技術，對建筑結構的變化周期、加速度、層間位移角等數據情況進行分析，可知當設防烈度為6度，變化周期為5.918，加速度為0.044，層間位移角為1/329，同時當設防烈度為7時，變化周期為6.513，加速度為0.071，層間位移角為1/164，滿足超高層建筑結構設計質量要求。同時，彈塑性分析技術還可以對鋼筋配比情況的合理性進行判定，并且針對鋼筋配比方案提出優化策略。

表1 靜力彈塑性結果

3.3 針對建筑結構彈塑性的動力時程進行分析

采用彈塑性分析技術，能夠對建筑結構受外力影響下的變化程度進行模擬，通過對建筑結構模型施加外在應力，從而根據動力時程情況進行分析，可以準確掌握當建筑處于任何環境外力中時，其內部結構穩定性在不同時間段的變化程度，這樣可以準確分析建筑結構的抗震性能，基本可以認定與高振型的建筑模型存在明顯的影響效果，與靜力彈塑性分析方法存在差異。在進行超高層建筑結構設計時，結合項目質量要求與環境情況，構建完整的彈塑性分析模式，以此來驗證建筑結構與材料在外部應力條件下的變化程度，并且從多方面對建筑結構穩定性展開分析，及時發現影響建筑穩定性的潛在質量隱患，在設計方案中進行調整優化，為后期施工階段提供有效保障。

結論：綜上所述，對于超高層建筑工程來說，在圍繞項目綜合質量進行設計時，不僅要兼顧傳統建筑的建筑結構設計原則，而且還要格外重視超高層建筑的結構穩定性，借助彈塑性分析技術，可以準確判定建筑結構穩定性。本文將彈塑性分析技術作為研究對象，首先闡述提升超高層建筑結構穩定性的重要作用，其次對彈塑性分析技術進行研究，最后指出該技術在超高層建筑結構設計中的實際應用，具體為針對建筑結構穩定性進行假設模型分析，應用模型對靜力彈塑性展開分析，對建筑結構彈塑性的動力時程進行分析，以此對超高層建筑施工提供更準確的模型借鑒。