超高層結構設計中彈塑性分析應用

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摘要：為了提高超高層建筑工程的抗震性、安全性與穩定性，在進行超高層結構設計工作時，要對結構的抗震設計工作引起重視。隨著超高層建筑高度的不斷增加以及結構復雜度的不斷提高，彈塑性分析逐漸受到了設計人員的廣泛關注。本文首先對彈塑性分析的基本概念與方法進行探討，結合工程案例進一步研究超高層結構設計中彈塑性分析的具體應用。

關鍵詞：超高層；結構設計；彈塑性分析

1引言

隨著國內城市化進程的不斷加快，建筑工程的體量與高度逐步提升，在進行一些超高層建筑結構的抗震設計工作時，現有的規范已經不能滿足設計的要求。因而，設計工作中要注重彈塑性分析的應用，針對不同的超高層建筑建立相應的分析與計算模型，提高建筑結構的抗震效果，確保建筑結構能夠滿足抗震性方面的要求。

2概述

2.1彈塑性分析的基本概念

對于彈塑性分析方法而言，其主要是在罕遇地震作用條件下，對建筑結構進行彈塑性變形分析的一種簡化方法，而彈塑性分析方法的本質就是靜力方法。從理論層面上來說，應用這一方法進行結構彈塑性動力響應的預測依然存在著一定的缺陷，但是經過大量的研究與工程實踐表明，在合理的適用范圍之內，這一方法可以對結構非線性地震反應特征進行準確的反映，這就表明該方法有著一定的可取性。此外，通過進行彈塑性分析，還能對罕遇地震條件下建筑結構的最大層間位移角進行計算，并且可以得到不同構件的彈塑性發展過程，同時能夠獲得結構的薄弱層以及薄弱構件，這對于超高層結構設計有著極大的幫助?，F階段，應用較廣泛的方法是美國FEMA-273推薦的目標位移法，該方法具體應用時要對結構的推覆分析。隨著設計理論的不斷完善，彈性分析方法也在不斷成熟。

2.2靜力彈塑性分析的特點

一方面，分析方法具有一定的復雜性。在應用彈塑性分析方法時，需要建立相應的空間有限元模型，進而可以對罕遇地震條件下的建筑結構進行相應的變形分析。這一過程中，由于地震作用有著較強的復雜性，因而導致了結構性能表述以及計算方法的復雜度也會隨之提高。對于地震作用的復雜性而言，主要體現在地震作用的隨機性，即使峰值加速度相同，其波形也存在著較大的差異，這就造成了結構的受力狀況在受到地震作用后出現較大的差異。在應用彈塑性分析方法進行結構分析時會出現較大的誤差，并且誤差的大小和高階振型效應的大小有著直接的關系。同時，復雜性還體現在結構自身彈塑性性能的描述方面：①在進行材料本構關系的描述過程中，要比線彈性階段的描述過程復雜。這一過程中不僅要對所給材料的初始彈性狀態的物理特性進行相應的描述，同時還要對所給材料的滯回性能進行描述。②有限單元模型具有一定的復雜性。在進行有限元模型的建立時，要考慮到結構彈塑性的性質等。③計算方法上具有一定的復雜性。比如計算工作中要對非線性方程組進行計算與求解，這一過程相對麻煩，同時計算工作中還要對線性方程組進行求解。另一方面，彈塑性分析要考慮到材料本構關系，并且要對塑性鉸特性進行研究。在應用彈塑性分析方法時，材料關系可以使用彎矩轉角關系或者是構件截面所具有的彎矩-曲率關系進行表示，不同種類塑性鉸的本構模型。

3彈塑性分析方法分析

3.1靜力彈塑性分析方法

所謂的靜力彈塑性分析法，一般也被稱為靜力推覆分析方法。在應用這一分析方法進行結構設計工作時，要對結構的實際狀況進行考慮。通過對不同的建筑結構施加相應的側向力，同時提高該力的數值，能夠使建筑結構經歷不同的受力階段，比如可以使結構經歷彈性階段、開裂以及屈服階段、結構控制位移等幾個不同的階段。這樣一來，建筑結構就可發展成為機構或者能夠達到預期目標位移。需要注意的是，這一過程中所施加的側向力主要受到地震水平慣性力的影響。通過進行靜力彈塑性分析，可以對地震作用下的建筑結構受力與變化狀況進行全面的了解，能夠對結構變形狀況、結構內力特性以及破壞機理、結構的薄弱位置進行判斷，同時可以了解到塑性鉸的發生次序和部位，進而能夠對建筑結構所能承受的地震荷載狀況進行相應的判斷。

3.2彈塑性動力時程分析法

對于這一分析方法而言，主要是在20世紀60年代形成的。該方法現階段主要應用于超高層建筑結構的抗震分析工作，有一些國家已經將這一分析方法納入到抗震設計規范中，并且主要用于超高層結構設計的分析。時程分析法本質上屬于動力分析方法的一種類型，在具體計算工作中需要對建筑結構列出相應的運動微分方程，并借助于積分等工具進行求解。在應用時程分析法進行結構設計工作時，要對不同質點隨時間變化的位移狀況、移動速度狀況做出分析，并且要對變形時程以及內力時程的變化情況進行相應的計算。一般來說，時程分析法應用時需要輸入、輸出較大的數據量，并且計算過程極其復雜。因而，該方法的應用有著一定的阻礙，但是隨著近幾年來計算機技術以及配套軟件技術的不斷發展，該方法獲得了快速的發展與廣泛的應用。

4案例分析

4.1工程概況

該工程為某世界貿易中心建筑，建筑的下部有七層裙樓，主體建筑包括兩棟酒店建筑以及一棟辦公樓，酒店的高度為100m，辦公樓的高度為260m。該建筑的主體結構分為地上與地下兩部分，其中地上66層、地下3層。建筑的標準樓層高度是3.9m，同時還包含了避難層以及底部四層建筑，高度是5m。在進行該建筑的抗側力體系結構選取時，應用的是鋼筋混凝土筒中筒結構。

4.2計算模型一級假設條件

在進行建筑結構設計工作時，主要計算參數如下：①建筑的抗震設防烈度是七度，基本地震加速度選為0.1g。②該建筑屬于Ⅱ級場地，并且在進行設計地震分組時屬于第1組。結構設計工作中，為了滿足技術要求以及工程的經濟性要求，設計人員應用了鋼筋混凝土筒中筒結構。其中，建筑的外筒結構應用的是框筒，內筒結構應用的是鋼筋混凝土剪力墻核心筒結構。在查閱了設計規范之后，發現B級高度的鋼筋混凝土筒中筒結構的最大高度為230m。結構設計中，將梁柱以及支撐剪力墻、樓板等構造作為了該超高層建筑的主要受力構件。對于梁柱構件而言，可以看作是一維構件，計算模擬工作中要對受力情況進行模擬。同時，由于結構的受力情況狀況相對復雜，連接方式可以分為三種類型：兩端鉸接、兩端固定以及一端鉸接、一端固定三種不同的連接方式。設計過程中，如果梁柱截面相對較大，那么可以要對剪切變形進行考慮。在進行超高層結構設計時，剪力墻是主要的抗側力構件。通過應用有限元理論進行結構受力狀態的模擬。

4.3靜力彈塑性分析

在對該建筑結構進行分析時，主要應用了非線性有限元計算與分析軟件，并且這一過程中根據建筑實際狀況構建了三維的有限元模型。經過分析之后，主要得到了以下幾點結論：首先，當建筑結構受到7度罕遇地震作用的條件下，結構的層間位移等到了1/164。這一數值相對于規范規定的位移角限值（1/120）小。因而，該建筑結構在受到7度地震作用時，不會發生倒塌的問題。其次，通過進行推覆分析工作后，可以發現結構中的部分柱子在腳部位置以及頂部位置出現了相應的塑性絞，并且這一問題和角柱為異形柱存在著密切的關系。另外，在應用模型進行計算工作時，并沒有加入型鋼，對于混凝土柱的配筋狀況也沒有進行相應的調節。

4.4彈塑性動力時程分析

具體分析工作中，設計人員主要選取了一組人工波以及兩組實際強震記錄進行分析，人工波主要是通過人工的方式進行加速度時程曲線的模擬。從最終的數據可以看出，模擬過程中原始最大加速度達到了54.8gal以及207.8gal、67.2gal。此外，在結構的最大層間位移角方面，數據分別是1/690和1/704、1/966。通過查閱相應的設計規范，得到了調整后的最大加速度是220gal。因而，能夠從數據對比上得到以下結論：一方面，相比于規范中位移角限值的數據規定，該結構的層間彈塑性位移相對較小，因而結構有著較強的安全性與可靠度。另一方面，通過對兩種不同的分析方法進行對比可以得出，這一結構有著相對一致的塑性絞分布區域。但是，通過應用彈塑性動力時程分析方法，得出的區域更加廣泛，這一差異主要與高振型作用有關。

5結束語

隨著建筑高度的不斷提升，為了改善超高層建筑的抗震性能，設計人員在進行超高層結構設計工作時要注重彈塑性分析方法的應用。通過彈塑性分析方法的應用，可以提高超高層結構抗震設計的質量，因而這一分析方法要得到工程人員的重視。此外，在進行超限高層建筑結構的設計時，還要注重結構彈塑性動力時程分析以及結構靜力彈性塑性分析方法的結合使用，對于地震作用下的結構受力狀況做出全面分析與研究，不斷提升超高層結構設計工作質量，促進我國建筑行業的健康發展。

參考文獻

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[3]方鴻強.靜力彈塑性分析在超高層結構設計中的應用研究[J].第二十一屆全國高層建筑結構學術會議論文，2017.

作者:陳全益 單位:北京中外建建筑設計有限公司廣州分公司