彈塑性分析在超高層建筑結構設計中的應用

楊圣飛

（重慶科創(chuàng)職業(yè)學院， 重慶 402160）

隨著我國現(xiàn)代化進程的不斷推進，城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城市可建設空間也在不斷縮減，更多的城市建筑開始向更高層次發(fā)展，而這一演變雖然賦予了城市更多的生存地域，可是也給建筑工程設計者提出了更多的要求，如何實現(xiàn)高層建筑的防震能力，如何有效評定一個超高層建筑是否安全，這都是需要相關行業(yè)人員必須要解決的難題，而各個研究機構也在不斷探討這一話題。

1 彈塑性方法

1.1 靜力彈塑性方法分析

從建筑物結構變化分析角度來看，所謂的靜力彈塑性方法，其源于建筑物自身結構變化的情況，是一種在特定條件下進行的靜力推覆分析方式。在進行實際建筑物自身結構變化時，為了分析過程的精準，也會給其加入一定的側向力，當這一額外加入的力量開始增加，整個建筑架構就會進入一個逐漸變化的階段，彈性變動進而出現(xiàn)開裂，隨后達到整個架構的屈服力，最后出現(xiàn)結構性的位移，而確定造成這一過程的彈塑力，是確定建筑物整體結構達到抗震標準的一個目標，同時這一方法也給相關從業(yè)人員帶來了全新的評估方式，整個行業(yè)都隨之變革。

1.2 材料自身存在本構關系與塑性鉸分析

在進行相關研究時，對于靜力彈塑性的分析，均是創(chuàng)建彎矩轉角關系或彎矩曲率來確定不同材料之間的靜力關系。在由構件截面所組成的本構關系中，如果建筑物遭遇地震，其對于整個構件的力影響從實際結構變化狀況進行劃分，可以分為可構件立即恢復、出現(xiàn)結構損壞，威脅生命安全、結構徹底破壞四個方面

1.3 水平力的分布模式

在進行側向負荷的具體分布形式分析時，根據(jù)其力結構的變化，可以體現(xiàn)出在震動條件下，不同結構層在慣力方面的表現(xiàn)形式，同時也可以反映出實際所造成的破壞大小。在當前研究中，對于側向荷載通常將其劃分為兩種類別。

第一種，固定模式，在固定模式下其實際可出現(xiàn)的形式有三個小類別，分別為：SRSS分布形式，這種形式也可以為研究者顯示出慣性力，方便進行分析；均布分布，相對于上一種，它所反映的是對樓層的重力與實際側向力之間的關系，進而找到慣性力的分布；第三種為倒三角，它是以建筑結構構型作為研究的基礎構型，進行找到對應的慣性力分布。以上三種形式，無論哪一種都無法在單一情況下如實反映真正的形變與受力數(shù)據(jù)，所以通常會采取兩種以上進行綜合分析。

第二種，實時模式，實時模式也可以稱之為非固定模式，相對于固定模式，它在研究水平力分布上，相對理想，可以實現(xiàn)相對較好的側向力加載與對應的分析。在這種模式中，水平力的分布方式研究以及總水平力的求取，均是在周期性研究中完成，在相應的結構上不斷施加更高數(shù)值的水平力，觀察整個結構在進入塑性后的具體表現(xiàn)與破壞程度，進而研究出建筑物結構應對地震烈度的大小。

2 提高城市建筑物防震性能的必要性

隨著我國經濟社會發(fā)展的步伐不斷加快，人們生活水平的不斷提高，城市為了在單位面積內容納更多的人口，開始不斷在超高層建筑上投入更多的經歷，我國龐大的人口基數(shù)更是為這一發(fā)展勢頭提供了源源不斷的動力。與其他國家相比，我國高層建筑規(guī)模已經走到了一個相對較高的階段，并且，建筑物的設計風格更是開始復雜化，各種結構的高層建筑開始在各個城市涌現(xiàn)，有些高層建筑的結構復雜度已經超出了國家對建筑物抗震性能要求的范圍，很多建筑一味追求風格與美觀，在一定程度上忽視了建筑物抗震方面的需求，為群眾的生命財產安全埋下隱患，如果不去研究如何提高超高層建筑的抗震方式，突破傳統(tǒng)，勢必出現(xiàn)極為嚴重的后果。正因如此，創(chuàng)新技術方法，提高超高層建筑物的抗震能力，成為每一個城市建設者與建筑設計者所關心的話題。

3 彈塑性方法在超高層建筑結構設計中的應用分析

3.1 在假設的條件中對抗震計算結果的模型進行對應的分析

一個群樓，包括兩個主體建筑，分別為100米與260米，從整個建筑物結構抗震能力來看，其真正起到抗震效能的，是整體的鋼筋混凝土。該項建筑在進行設計與施工時，其規(guī)定的抗震烈度為七度，在對建筑模型進行相關分析時，產地內所設置的地震等級為11級，并且地震所產生的加速度為0.1G，該結構設計，不但可以確保建筑物的經濟效益，還可以將其抗震技術達到規(guī)定的操作范圍。此項建筑的中心結構為鋼筋混凝土筒中筒，其內筒結構設計為鋼筋混凝土剪力墻核心筒，而對應的外筒結構為框筒。根據(jù)我國對相關行業(yè)所做出的技術規(guī)定，處于B級高度下的鋼筋混凝土結構中，其主筒的中筒必須要小于230米的高度。而在實際情況下，超高層建筑的受力構件仍然以梁柱與建筑支撐的剪力墻所構成，而這個結構組成中，其梁柱是一個整體構件，而對于真實受力情況的模擬，在研究中可以借助牢間桿單元，但是，模型與實際會略有不同。實際受力情況就衍生出三種力連接的形式，分別為鉸接兩端，兩端固定以及一端固定一端鉸接的形式，如果實際建筑中還存在著較大體積的基面，那么具體的剪切變形狀況就要考慮更多的實際情況。

3.2 通過模型分析靜力彈塑性的方法

在進行對應的分析工作時，對于靜力彈塑性，可以有效使用并構建出三維有限元模型。而相關的分析結果表明，當發(fā)生地震烈度為七度的罕見大地震時，建筑物整體結構出現(xiàn)的構件間位移為1164mm，而這一數(shù)值處于相對安全范圍，整體建筑物出現(xiàn)倒塌的可能性很小，而通過整體模型分析后，發(fā)現(xiàn)在建筑物的頂部以及底部，某些柱子出現(xiàn)了塑性鉸，而這種現(xiàn)象的直接因素就是異形柱的問題，因此，根據(jù)這一現(xiàn)象，可以看出，在整個模型結構的分析與計算中，型鋼被舍棄，并且，相應的位置內的鋼筋配比沒有按照對應的要求進行試驗，也是導致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的一個因素。

3.3 對彈塑性的動力時程進行相關分析

在以上的模型數(shù)據(jù)分析中，可以通過相關的數(shù)據(jù)展現(xiàn)判斷出對應的工程結構是相對安全且具備較強的抗震能力，在對彈力塑性和彈塑性動力時程的相關受力對比找那個，可以直觀的看到，塑性鉸在這個建筑中的整體分布相對均勻，但是根據(jù)彈塑性動力時程而進行的具體分析，其得出的結果相對更具有廣泛性。通過模型而分析出來的具體結果中存在的這一現(xiàn)象，基本可以認定高振型自身在模型中可能存在的效果，并沒有被融入到靜力彈塑性分析方法中。而這一問題，也會讓模型分析與現(xiàn)實中真實地震效果的具體破壞程度上，會有可能不同。

4 結語

根據(jù)以上模型分析，建筑物的抗震性能作為建筑設計的首要性能指標，將會是未來各項工程在進行抗震工作必然發(fā)展勢頭。對于建筑物結構設計在抗震方面具備的能力，也會成為當今時代各個國家與相關建設單位所要重視的話題。高層建筑模型設計中，靜力彈塑性的分析形勢，也將會引起更多相關從業(yè)人員的重視。以上的分析結果表面，在分析時，采用的無論是靜力彈塑性方法還是彈塑性動力時程，其對具體的研究與對應建筑物抗震能力方面的判斷不會產生較大程度的影響，同時使用兩種判斷方法，可以對建筑物的整體抗震結構設計起到很好的推動作用，也為未來超高建筑的發(fā)展與具體施工提供了更為良好的模型借鑒。