弹塑性分析理念在超高层结构设计中的渗透

石 磊 （武汉市规划设计有限公司，湖北 武汉 430000）

1 提高建筑物抗震性能的必要性

对比世界各国家的建筑建设规模，我国高层建筑工程的建设规模相对处于一个较高的水平，同时，建筑楼层的高度也在不断地增加，并呈现出多种结构极其复杂的体型，有些超高层的建筑在结构抗震方面的设计已经远远超出了国家在抗震设计上的相关要求、规范，并超过了国家对超高层建筑在高度和建筑结构方面的相关规程和范围要求，如果只是一味地用没有更新的方法预防超高层建筑的抗震性能而不对其加以讨论和有效分析，在最大程度上促进建筑物抗震性能的提升，会对建筑结构的安全性和抗震方面的可靠性产生巨大的威胁。因此，必须要利用新的技术方法，有效提高超高层建筑物抗震性能。

2 弹塑性方法

2.1 静力弹塑性方法

静力弹塑性方法也就是一定程度上的静力推覆分析方法，此方法中最主要的判断依据建筑结构自身的实际情况，当然，也会为建筑结构添加少量的侧向力。若侧向力逐渐变大，就会让建筑架构历经弹性、开裂、屈服、结构控制位移等多个阶段，但也只有这样才能在最大程度上促进建筑结构达到预期的唯一目标或成为机构，也能让研究者充分了解地震对建筑机构产生的影响[1]。

2.2 材料本构关系和塑性铰特点

通常情况下，静力弹塑性的分析方法都是用构件截面的弯矩转角关系或弯矩曲率来表示材料之间的关系。如图所示是各种塑性铰的本构关系。

塑性铰的本构关系

根据ATC-40，若遭受地震，则可能表现出立即恢复IO（Immediate Occupancy）、损坏控制DC（Damage Control）、生命安全LS（LifeSafety）及结构失稳SS（Structural Stability）4种不同的状态。同时，此标准还能给出墙、柱、梁等构件在4种不同状态下的塑性限值。

2.3 水平力的分布模式

侧向荷载的分布形式不但可对地震作用下结构层惯性力的分布特征充分体现，还能让求出的位移数据在最大程度上对地震作用下的结构位移状况进行真实反映。就目前的实际情况来看，在对静力弹塑性进行分析的过程中，可有效地将侧向荷载分成两大类。

第一类是应用比较普遍的固定模式，FEMA-273推荐的形式可分为以下3种：a.SRSS分布，此种分布形式能对谱振型组合得到的惯性力进行充分反应；b.均布分布，此种分布形式中所在楼层重力大小是各楼层侧向力的直观反映，并能反映谱振型组合得到的惯性力分布；c.倒三角分布，此种分布形式是一种以结构振型为基础振型的惯性力分布形式。不论是哪种荷载的分布方式，都不可能对结构的全部变形和受力要求进行反映，所以，在实际的工程应用中，都需要对两种或两种以上的荷载分布方式进行讨论和分析。

第二类是实时模式，即不固定的模式。这种模式是一种理想型的水平力分布方式，也就是主要进行适应性的侧向力加载和分析[2]。按照不同工作阶段中结构的周期借助反应谱求取作用在结构上的总水平力，并依据结构的振型对水平力的分布方式进行有效确定；将某种分布的水平力施加在结构上后对水平力的数值进行逐步增加，在最大程度上促进结构中的各个杆件慢慢进入塑性。通过结构逐渐进入塑性，整个建筑结构在动力特性方面也会发生相应的变化，所以，也可以反过来对水平力的分布和大小按照实际需要进行调整，如此反复，确保建筑结构最终能达到预定的破坏目标。

3 弹塑性方法在超高层建筑结构设计中的应用分析

3.1 对假设条件和计算模型进行分析

某市的一座群楼，建筑高度为7层，其中包括2个酒店和1个办公楼，主要高度分别为100m和260m。此建筑的主结构分为地下3层和地上66层，每层楼的设计标准高度为3.9m，但地下3层和避难层的高度均为5m。按照建筑强度来看，此建筑物的抗侧力体系结构最主要的还是钢筋混凝土[3]。

此工程的抗震防烈度设置为七度，地震分组为第一组，主要场地设置为11级，基本地震加速度进一步设计为0.1g。这样做不但能在最大程度上确保工程的经济性，同时还能保证其有效达到技术的可操作性。此工程中的结构主要是钢筋混凝土筒中筒，外筒使用的是框筒，内筒是钢筋混凝土剪力墙的核心筒。国家有关规范中明确标出：在B级高度的钢筋混凝土中，主筒中筒的最高高度应≤230m。一般情况下，在超高层建筑中，最为基础的受力构件主要是梁柱和建筑支撑剪力墙，其中，梁柱属于一种构件，借助牢间杆单元可以模拟受力的情况，但现实中的受力情况也会存在一定的差距，按照此不同，可以将其分成3种不一样的方式，即铰接梁段、两端固定和一端铰接另一端固定。如果有比较大的基面存在于梁柱之间，则需要根据实际情况考虑剪切的变形情况。

3.2 对静力弹塑性的方法进行分析

通过非线性的有限元分析计算软件时，可以借助三维有限元模型的构建来分析工程的静力弹塑性，表1是此次的分析结果。在进行相关的分析研究后可得出，在遭遇7。罕遇地震后，建筑结构的牢间位移等于1164mm，此数值相比于其他数值而言，属于相关规范内弹塑性层位移角限制的最小值。所以，若此建筑工程不幸遭遇到7。地震时，倒塌的可能性不大。有些柱子在顶部和脚步的位置会存在塑性铰，出现这种现象的主要原因是此时的角柱在很大程度上属于异形柱，所以，可以推断出型钢并没有参与整个模型的计算和分析。当然，针对上部存在塑性绞的地方，也没有对混凝土柱的配筋按照要求和实际情况作出相应的调试（如表1所示）。

静力弹塑性的分析结果表1

3.3 对弹塑性的动力时程进行分析

通过研究表1数据可看出，间层的弹塑性位移和有关规范之中所规定的的角限值非常小，所以可以通过此数据来判定此工程结构具有相对较高的安全性和可靠性。比较分析弹力塑形和弹塑性动力时程可以更为清楚地看出，此工程之中存在的塑性铰分布区域基本相同，但借助弹塑性动力时程计算分析得到的塑性铰分布区域会较精力弹塑性得到的分布区域更为广泛。针对此现象和情况，可以考虑是否是静力弹塑性分析方法未将高振型本身发挥的作用纳入计算和思考的范围之内，这就会让通过加载模式分析得出的影响和真实地震产生的影响在一定程度上存在差异[4-5]。

4 结语

综上所述，将建筑结构的抗震设计建立在建筑的性能基础之上，会是工程抗震未来发展的必然趋势，所以，讨论和分析其实用性，是全世界范围内地震工程领域中非常重要的研究课题之一。其中，静力弹塑性的分析方法能有效实现超高层建筑结构的抗震性能，这也引起也不少专家学者的广泛关注。而从文章的研究来看，在进行超高层建筑施工的过程中，不论是采用静力弹塑性的分析方法还是采用弹塑性动力时程的分析方法，都不会影响其在地震作用的状态下的判断和分析，而且两种方法都是建筑过程中不能缺少的，且能起到很重要的积极作用。通过对弹塑性进行分析和讨论，可以更容易地发现整个建筑结构体系之中隐藏的薄弱环节和部位，通过推断结构的破坏次序，能为高层和超高层的建筑结构在施工过程中提供借鉴，具有非常重大且深远的实际作用。