彈塑性分析在超高層建筑結構設計中的應用

劉超

（河北 廊坊 102800）

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建設的進程。建筑物的高度增加，對建筑行業的相關要求也更加嚴格。彈塑性分析理念通過不同的方法進行研究，現階段應用較為廣泛的方法分別為靜力彈塑性分析法和彈塑性動力時程分析法。在應用上述彈塑性方法時，與高層建筑結構設計相互融合，對高層建筑結構受到靜力和動力作用時產生的狀態，分別進行研究，通過研究施加加固措施，提高高層建筑結構的穩定能力。而防震能力也是在評估建筑群的安全性時所需要考慮的。

一、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。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。提高高層建筑結構抗震性的必要性體現在以下幾個方面：首先，高層建筑規模較大，在建筑內部會出現較多的復雜結構，原有的建筑抗震等級標準無法滿足要求;其次，應用彈塑性分析理念，可以在建筑結構抗震等級基礎上，對結構形式進行改進，從而提升結構的抗震性能。

二、彈塑性分析

（一）靜力彈塑性方法

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。根據高層建筑結構的形式，應用靜力彈塑性方法，向高層建筑模型施加側向的靜力，如果施加的靜力不斷增大，可以使高層建筑模型進入到不同的狀態，分別為彈性狀態、開裂狀態、屈服狀態以及結構控制狀態。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。在不同的狀態進行分析，可以充分掌握建筑結構在靜力狀態下所能承受的荷載。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。

（二）材料本構關系和塑性鉸特點

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。材料本構關系與受到的屈服力和屈服位移有關，在高層建筑受到壓力和拉力時，受壓區的結構未出現明顯的屈服位移，進入到拉區后，屈服力不斷增加時，屈服位移不斷增加，并且增加至最大值后，屈服力會趨于平衡狀態，此時屈服位移會不斷增加。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。塑性鉸特點體現在以下幾個方面：一是損壞控制；二是生命安全；三是結構失穩；四是恢復?；谏鲜鏊姆N塑性鉸特點，在應用彈塑性方法研究高層建筑的彈塑性性能時，可以掌握高層建筑在不同地震等級下的狀態，根據狀態對結構進行優化，使高層建筑保持良好的穩定狀態。

（三）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，又稱為非固定模式。與固定模式相比它具有理想型水平力分布形式特點，向結構施加側向力和不同的荷載，根據結構受到的振型分布變化，可以確定不同形式的分布狀態。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。例如在某分布狀態中，將水平力施加在結構上，水平力不斷提高，此時結構會出現塑性變化，根據某一結構出現的塑性變化，可以推斷出建筑整體塑性變化。在水平力分布狀態發生變化時，根據水平力的實際的應力狀態，最終確定建筑出現損壞的臨界點。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。

三、彈塑性方法在超高層建筑結構設計中的應用分析

（一）對假設條件和計算模型進行分析

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的作用?，F在我們以某建筑為例，該建筑屬于群樓形式，其中主樓為辦公樓，附屬樓為2 個酒店，其中主樓高度為260 米，附屬樓高度為100 米。主樓結構中，地上結構層數為66 層，地下結構層數為3 層，地上結構層高為3.9 米，地下結構層高為5 米。該建筑結構，全部采用鋼筋混凝土材料。該高層建筑設計過程中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，地震分組為一組，其他基礎設施地震等級設定為11 級，地震影響系數最大值為0.1 克。按照該標準進行設計，不但可以達到規定得抗震能力，而且得到了較好的經濟效益?？梢杂行Э刂乒こ痰慕ㄔO成本，并且在高層建筑施工過程中，施工難度較低，施工速度較快。在該建筑中的主要結構施工時，會使用到筒中筒鋼筋混凝土結構，筒中筒的外筒作為框筒，內筒主要包裹鋼筋混凝土。根據我國國標對建筑行業相關技術做出的要求可知，如果主體結構鋼筋混凝土的強度等級為B 級，應將筒中筒的高度控制在230 米以下。

在高層建筑設計時，如果高層建筑屬于超高層建筑，基礎結構應具備較高的受力能力，并且與基礎連接的結構，應具備支撐剪應力的能力，其他建筑結構應設計為剪力墻結構。超高層建筑的受力構件主要包括梁柱和剪力墻，在剪力墻結構中，梁柱是重要的組成構件，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。在梁柱構件進行受力分析時，將梁柱構件上施加三種形式的應力，分別為鉸接應力、兩端固定應力以及一端鉸接應力和一端固定應力。在梁柱結構受到不同形式的應力后，應觀察結構出現的變形狀態，如果變形狀態以剪切為主，證明結構中的剪力墻發揮應有的作用。

（二）通過模型分析靜力彈塑性的方法

在向建筑結構施加靜力時，采用靜力彈塑性方法分析結構的受力狀態，應將結構建成三維有限元模型，在該模型內分析靜力彈塑性狀態時，不同的抗震防裂度，會產生不同的靜力彈塑性效果，應用靜力彈塑性方法進行分析時，設定三種類型的高層建筑結構模型，將場地類別均劃分成II 類，序號一建筑設防裂度為6，地震分組為1，地震影響系數最大值為0.3 克，特征周期為0.35 秒，彈性阻尼比為0.05，能力和需求曲線為5.918，交點坐標為0.044，層間位移角為1/329。序號二建筑設防裂度為7，地震分組為1，地震影響系數最大值為0.3 克，特征周期為0.35 秒，彈性阻尼比為0.05，能力和需求曲線為6.513，角點坐標為0.0，71，層間位移角為1/164。序號三建筑設防裂度為8，地震分組為1，地震影響系數最大值為0.3 克，特征周期為0.35 秒，彈性阻尼比為0.05。根據上述產生的分析數值，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。這表明在建筑內設置的鋼筋，可以起到穩定結構的作用。

（三）對彈塑性的動力時程進行分析

通過上述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，能夠直觀了解到，在建筑的每個層間產生的彈塑性位移，一般與角限值有關，如果彈塑性位移增加，角限值會不斷增加。但是在高層建筑結構設計時，通過靜力彈塑性方法進行分析，應將彈塑性位置控制在合理的范圍內，使角限值不斷減少，從而提高高層建筑的安全性和穩定性。通過對彈力塑性進行分析，主要分析彈塑性變化和動力變化，將該高層建筑的塑性鉸分布狀態控制在合理的范圍內，使分布狀態趨于平衡。此外廣泛應用彈塑性動力分析方法，會詳細劃分出結構產生的塑性鉸分布狀態，并根據狀態調整結構形式，使結構承載更多的應力，在較高的荷載作用下，建筑可以保持在穩定狀態。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。

結語：綜上所述，在高層建筑結構設計過程中，重點關注地震烈度對高層建筑產生的影響。采用彈塑性分析理念，通過靜力彈塑性分析和彈塑性動力時程分析，可以全面掌握建筑結構的抗震性能。通過不同角度進行分析，可以及時發現高層建筑結構設計中存在的問題，針對問題實施解決措施，如改進結構形式，或者調整結構內材料配比，進一步提升高層建筑結構的穩定性，使高層建筑滿足使用要求。