基于弹塑性分析理念在超高层结构设计中的渗透讨论

魏俊青

摘要：在城市化快速发展背景下，许多城市正在加大投入力度，建设更多的高层建筑，满足人们日常生活和工作需求。在高层建筑结构设计过程中，渗透弹塑性理念，可以提高高层建筑结构的安全性和稳定性。本文围绕基于弹塑性分析理念在超高层结构设计中的渗透讨论展开讨论，为高层建筑结构设计应用弹塑性理念提高参考依据。

关键词：弹塑性分析;超高层;结构设计

引言：

弹塑性分析理念通过不同的方法进行研究，现阶段应用較为广泛的方法分别为静力弹塑性分析法和弹塑性动力时程分析法。在应用上述弹塑性方法时，与高层建筑结构设计相互融合，对高层建筑结构受到静力和动力作用时产生的状态，分别进行研究，通过研究施加加固措施，提高高层建筑结构的稳定能力。

1.    提高建筑物抗震性能的必要性

提高高层建筑结构抗震性的必要性体现在以下几个方面：首先，高层建筑规模较大，在建筑内部会出现较多的复杂结构，原有的建筑抗震等级标准无法满足要求;其次，应用弹塑性分析理念，可以在建筑结构抗震等级基础上，对结构形式进行改进，从而提升结构的抗震性能。

2.    弹塑性方法

2.1  静力弹塑性方法

根据高层建筑结构的形式，应用静力弹塑性方法，向高层建筑模型施加侧向的静力，如果施加的静力不断增大，可以使高层建筑模型进入到不同的状态，分别为弹性状态、开裂状态、屈服状态以及结构控制状态。在不同的状态进行分析，可以充分掌握建筑结构在静力状态下所能承受的荷载。

2.2  材料本构关系和塑性铰特点

材料本构关系与受到的屈服力和屈服位移有关，在高层建筑受到压力和拉力时，受压区的结构未出现明显的屈服位移，进入到拉区后，屈服力不断增加时，屈服位移不断增加，并且增加至最大值后，屈服力会区趋于平衡状态，此时屈服位移会不断增加。

塑性铰特点体现在以下几个方面：一，损坏控制;二，生命安全;三，结构失稳;四，恢复。基于上述四种塑性铰特点，在应用弹塑性方法研究高层建筑的弹塑性性能时，可以掌握高层建筑在不同地震等级下的状态，根据状态对结构进行优化，使高层建筑保持良好的稳定状态。

2.3  水平力的分布模式

2.3.1      固定模式

固定模式是由三种形式组成，分别为SRSS分布形式、均布分布形式以及倒三角分布形式。

2.3.2      实时模式

实时模式具有理想型水平力分布形式特点，向结构施加侧向力和不同的荷载，根据结构受到的振型分布变化，可以确定不同形式的分布状态，例如在某分布状态中，将水平力施加在结构上，水平力不断提高，此时结构会出现塑性变化，根据某一结构出现的塑性变化，可以推断出建筑整体塑性变化。在水平力分布状态发生变化时，根据水平力的实际的应力状态，最终确定建筑出现损坏的临界点。

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

以某建筑为例，该建筑属于群楼形式，其中主楼为办公楼，附属楼为2个酒店，其中主楼高度为260米，附属楼高度为100米。主楼结构中，地上结构层数为66层，地下结构层数为3 层，地上结构层高为3.9米，地下结构层高为5 米。该建筑结构，全部采用钢筋混凝土材料。

该高层建筑设计过程中，将抗震防裂度设定在7 度，地震分组为一组，其它基础设施地震等级设定为11级，地震影响系数最大值为0.1克。按照该标准进行设计，可以有效控制工程的建设成本，并且在高层建筑施工过程中，施工难度较低，施工速度较快。在该建筑中的主要结构施工时，会使用到筒中筒钢筋混凝土结构，筒中筒的外筒作为框筒，内筒主要包裹钢筋混凝土。根据我国高层建筑建设要求，如果主体结构钢筋混凝土的强度等级为B级，应将筒中筒的高度控制在230米以下。在高层建筑设计时，如果高层建筑属于超高层建筑，基础结构应具备较高的受力能力，并且与基础连接的结构，应具备支撑剪应力的能力，其它建筑结构应设计为

剪力墙结构。在剪力墙结构中，梁柱是重要的组成构件，在梁柱构件进行受力分析时，将梁柱构件上施加三种形式的应力，分别为铰接应力、两端固定应力以及一端铰接应力和一端固定应力。在梁柱结构受到不同形式的应力后，应观察结构出现的变形状态，如果变形状态以剪切为主，证明结构中的剪力墙发挥应有的作用。

3.2  对静力弹塑性的方法进行分析

在向建筑结构施加静力时，采用静力弹塑性方法分析结构的受力状态，应将结构建立成三维有限元模型，在该模型内分析静力弹塑性状态时，不同的抗震防裂度，会产生不同的静力弹塑性效果，应用静力弹塑性方法进行分析时，设定三种类型的高层建筑结构模型，将场地类别均划分成II类，序号一建筑设防裂度为6，地震分组为1，地震影响系数最大值为0.3克，特征周期为0.35秒，弹性阻尼比为0.05，能力和需求曲线为5.918，交点坐标为0.044，层间位移角为1/329。序号二建筑设防裂度为7，地震分组为1，地震影响系数最大值为0.3克，特征周期为0.35秒，弹性阻尼比为0.05，能力和需求曲线为6.513，角点坐标为0.0，71，层间位移角为1/164。序号三建筑设防裂度为8，地震分组为1，地震影响系数最大值为0.3克，特征周期为0.35秒，弹性阻尼比为0.05。根据上述产生的分析数值，在建筑设防烈度为7 度时，高层建筑仍能保持稳定状态。在建筑内部结构具体分析过程中，多数结构内会出现塑性铰，表明在建筑内设置的钢筋，可以起到稳定结构的作用。此外在建筑结构的上部区域会出现塑性铰，但是建筑结构整体处于稳定状态，无需对建筑结构形式进行改进。

3.3对弹塑性的动力时程进行分析

通过上述静力弹塑性分析结果可知，在建筑的每个层间，产生的弹塑性位移，一般与角限值有关，如果弹塑性位移增加，角限值会不断增加。但是在高层建筑结构设计时，通过静力弹塑性方法进行分析，应将弹塑性位置控制在合理的范围内，使角限值不断减少，从而提高高层建筑的安全性和稳定性。通过对弹力塑性进行分析，主要分析弹塑性变化和动力变化，将该高层建筑的塑性铰分布状态控制在合理的范围内，使分布状态趋于平衡。此外广泛应用弹塑性动力分析方法，会详细划分出结构产生的塑性铰分布状态，并根据状态调整结构形式，使结构承载更多的应力，在较高的荷载作用下，建筑可以保持在稳定状态。

与精力弹塑性分析相比，弹塑性动力时程分析过程中，向建筑模型施加人工波，通过人工波模拟地震产生的振动。在弹塑性动力时程分析时，分别设定不同的层间位移角，分别为1/690、1/704以及1/966，上述层间位移角状态，结构出现的位移，均与最大加速度有关，本次分析中最大加速度为220gal。

将弹塑性动力与静力弹塑性进行对比，该高层建筑的塑性铰分布区域未发生明显变化，并且在分析弹塑性动力时程过程中，弹塑性动力塑性铰分布涉及的范围较为广泛，可以涵盖地震、加载荷载等对高层建筑产生的影响，使高层建筑设计更加全面。

结语：

综上所述，在高层建筑结构设计过程中，重点关注地震烈度对高层建筑产生的影响。采用弹塑性分析理念，通过静力弹塑性分析和弹塑性动力时程分析，可以全面掌握建筑结构的抗震性能。通过不同角度进行分析，可以及时发现高层建筑结构设计中存在的问题，针对问题实施解决措施，如改进结构形式，或者调整结构内材料配比，进一步提升高层建筑结构的稳定性，使高层建筑满足使用要求。

参考文献：

[1]   黄慧隆.某复杂高层结构设计难点研究[D].华南理工大学2014.

[2]   游冰.弹塑性分析在超限高层混合结构抗震性能设计中的应用[D].西安建筑科技大学2013.

[3]   程晓艳.弹塑性分析在超高层结构设计中的应用[D].华南理工大学2011.