异形薄壁预应力混凝土构件的施工方法探讨

陈力康　徐可　陈宇

摘要：文章针对有特定不规则形状的薄壁预应力混凝土构件的施工方法提出了一套切实可行的方法，并通过制造一艘混凝土轻舟对该方法进行了实际检验，获得了预期的效果，为工程中的异形薄壁混凝土的制造及预应力的施加提供了理论基础和示范案例。

关键词：异形混凝土；薄壁构件；预应力；混凝土轻舟；水工；桥梁 文献标识码：A

中图分类号：TU37 文章编号：1009-2374（2016）15-0110-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.15.052

由于结构在进入中震或大震后，势必要部分进入弹塑性，因此建造高层建筑时，需要对其进行弹塑性分析，以此保证高层建筑达到塑性标准要求。但是高层建筑结构的弹塑性分析并不简单，需要进行比较复杂的计算。目前针对于此项工作，国内外已经研发了相应的软件程序，但是一大部分软件的实用性都不是很强，特别是前后处理功能不够完善，无法达到现实需求。现阶段，我国高层建筑结构弹塑性分析方法主要有两种：一种是静力分析法；另一种是动力时程分析法。

1 高层建筑结构弹塑性影响因素分析

地震发生时，若高层建筑结构依然保持在弹性状态下，此时建筑材料满足于虎克定律，在这一情况下，建筑结构就会引起弹性地震反应。若地震作用较大时，建筑结构进入弹塑性阶段，即结构变形无法满足于虎克定律，此时建筑结构所引起的反应即为弹塑性反应。这两者之间有很大的不同，现表述如下：

1.1 结构刚度和阻尼

图1 弹性体系下的位移 图2 弹塑性体系下的位移

与力之间的关系 与力之间的关系

弹性地震反应需要运用刚度矩阵，也就是常量矩阵，计算时需要依照相应的积分来逐步完成。其位移与力之间的关系如图1。但弹塑性地震反应中，力与位移并不满足于线性规律，若使用双线性恢复力模型，只有位移同处一个直线段时，刚度矩阵才能够是常量，但是如果两个位移并不在同一直线，刚度矩阵就会出现产生影响。阻尼矩阵是由刚度矩阵构成，因此阻尼矩阵与刚度矩阵的变形趋势基本上相同。

1.2 弹塑性反应的特殊性

在特殊的情况下，弹性地震反应可以等同于弹塑性反应。如果地震所产生的作用力并不非常强烈，同时结构屈服强度已经超过了一定限度，地震作用并没有对高层建筑结构弹性造成非常明显的影响，其所引起的振动范围应该是如图2。图中的AD线段整个区域都属于内震动，此时弹性地震反应与弹塑性地震反应所求得的解完全一致，因此可以将弹性地震反应当作是弹塑性反应。

1.3 地震力与位移反应

正常情况下，地震作用与弹性变形成正比，即地震越强烈，变形也会越大，而且这种变形没有任何的限制。但弹塑性体系与之有很大的不同，若地震力已经能够让结构屈服，弹塑性变形能力增长就会越来越慢，达到一定程度时，就不会再增长，但结构变形却不会因此而停止，会一直持续。因此基本上同一个结构，在受到同一个地震力影响，并不能简单对塑性体系和弹性体系加以分析比较，再加之，塑性变形本身特殊性，没有地震力减小得快，就会导致虽然地震力变小，但是变形能力却因此增强（如图2中的AD线段）。

1.4 结构强度与延性

通常而言，高层建筑结构屈服强度有所提升后，就会在一定程度上延迟高层建筑结构进入到塑性状态的时间。工作人员可以借助提升强度方法来使得高层建筑结构拥有更强大的抗震能力。这是由于弹性地震反应关注的重点是强度。再加之强度增大，就会提升建筑物刚度，这就会使得建筑结构地震力会进一步加大，所以要想高层建筑结构强度超过地震作用力，既要花费多余的经济成本，同时还需要克服技术上的难关。

高层建筑结构弹塑性地震反应与弹性反应有很大的差别，如地震反应未能达到高层建筑结构屈服标准时，建筑结构就会进入到弹性状态中，而若地震反应力已经符合高层建筑结构屈服标准时，此时地震力就不会再提高，即便是提高速度也非常缓慢，而高层建筑结构则主要是依赖于塑性变形来抵消地震发生产生的作用力。所以如果能够有方法提升建筑延性，就能够在提升高层建筑结构的抗震性，在这种情况下，即使高层建筑结构损耗比较严重，也会保持挺立，基本上不会倒塌。

我国对于此已经有明确的规定，即对于不规则形式的高层建筑结构或者是结构中存在着明显薄弱环节，或者是超高层建筑结构都必须要进行弹塑性变形分析，否则视为不合格，设计图纸不给予通过。由于影响高层建筑物结构弹塑性变形能力因素非常多，因此整个计算工作非常复杂，需要工程人员非常细心和耐心，以免出现比较严重的错误。虽然世界上已经研发了比较多的计算程序来对高层建筑结构的弹塑性进行分析，但需要解决的一个非常重要的问题就是所选择的计算模型要合适，同时还要选择适宜的应用程序。

2 高层建筑结构弹塑性分析的结构模型

2.1 层模型

该模型主要是将层静力依照相应的方法看作是弹簧串，而后对其展开相应的分析。该模型分析过程中需要对两大方面进行计算：一方面是对层静力特性展开来进行计算，通常是运用两种方法，分别为增量法和能量法，将整个高层建筑结构用全曲线来进行表述，而后再一层层进行计算，而后再将其看作是骨架曲线，之后再运用三个点来进一步简化骨架曲线，将其看作是刚度变化控制点；另一方面，动力时程响应计算，主要是在集中质量、串联弹簧模型描述的层模型基础上，对结构的动力响应进行计算。针对平面有偏心的结构，可以将每层设置一个主节点，从而构成串联刚片系。而针对多塔下有裙楼结构，可以在裙楼取一主节点，塔楼各取一主节点，从而形成串—并联拐把模型。

2.2 平面模型

平面模型主要应用于建筑结构的一个局部“榀”，对一榀框架进行时程分析。结构离散成“榀”这一模型化的过程决定了这种模型的精度。如果高层建筑结构的刚度分布得比较均匀，那么几何的布置就相对来说比较规则，即正交或者与正交相接近，此时结构各榀之间影响不大，可以采用平面模型进行弹塑性动力反应分析。相反，如果建筑结构的刚度分布不均匀，几何的布置就显得很不规则所以很难分成“榀”，就算勉强可以分成“榀”，但是由于结构各榀之间相互影响比较大，此时不宜采用平面模型。

2.3 空间模型

空间模型主要是针对结构的整体，这种模型在对结构进行整体的弹塑性动力时程分析时的精度很高。但是由于没有对整个建筑结构做比较大的简化，因此造成了计算的工作量比较大，所需要的时间也因此而增加。特别是随着结构自由的增加，计算时间会更大。

3 高层建筑结构弹塑性分析方法的具体应用

3.1 空间计算模型的具体应用

由于科学技术发展迅速，尤其值得一提的是计算机技术与计算数值技术进步幅度非常大，这对工程计算奠定了技术支持。现如今，高层结构弹塑性分析中大部分工作内容已经开始运用计算机，只是某些方面还不够完善，但是不能否认的是计算机的应用前景非常好。由于计算机技术与数值计算技术的崛起，传统的层模型与平面模型已经逐步被取代，现如今工程人员绝大多数都会选择应用空间计算模型，而且在应用时通常与图形分析技术相联系，这样不仅使得工程设计形象，也非常逼真，大大提升了高层建筑结构弹塑性的分析效率与精确度。

3.2 计算程序的选择

有些情况下，尽管应用了大量的时间分析高层建筑结构的弹塑性，但却未能取得良好效果，这可能是因为计算机分析软件选择不合理。因此为保证弹塑性分析顺利进行，选择一个合理适用的计算机分析软件非常必要。目前，我国主要应用三种软件来对高层建筑结构弹塑性展开相应的分析：第一，ABAQUS三维有限元弹塑性分析程序。该计算程序分两个求解模块，可用于线性和非线性的静力和动力求解。优异的分析能力和二次开发能力使得在高层弹塑性分析中应用最广泛：第二，SAP2000三维有限元弹塑性分析程序，此计算软件有别于其他一般结构有限元程序的最大特点就在于它的强大的分析功能，它基本上集成了现有结构分析中经常遇到方法，如时程分析、地震动输入、动力分析以及Push-over分析等，且前后处理功能也非常强大，工程应用非常方便；第三，MIDAS系列三维有限元弹塑性分析程序，此软件是目前唯一全部中文化的土木专用弹塑性及细部分析软件，此款软件因其入手快、界面简洁、操作方便，在高层建筑结构弹塑性分析领域应用也很广泛。当然应用于高层建筑结构弹塑性分析的计算程序还有很多，只是其他类型软件应用的比较少，所以在此对上述三种计算程序进行重点介绍。

4 结语

综上所述，可知高层建筑弹塑性分析比较复杂，其影响因素非常多，因此分析结果是否准确很难确定。正是因为如此，高层建筑结构设计人员都非常关注弹塑性分析问题，也时常会进行多次计算分析。本文所进行的方法适用于大多数的高层建筑结构中，结构设计人员只要依照上述理论与方法展开工作，选择合适的弹塑性计算模型和软件，基本上都能够确保高层弹塑性分析的正确性。当然，随着弹塑性分析理论与计算机技术的发展，高层建筑结构弹塑性分析方法不仅限于此，设计人员需要不断从实践中汲取经验、总结规律，以便寻找到更有效的分析方法。

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（责任编辑：小 燕）