彈塑性分析在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊圣飛

（重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院， 重慶 402160）

隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，城市可建設(shè)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(shè)計(jì)者提出了更多的要求，如何實(shí)現(xiàn)高層建筑的防震能力，如何有效評(píng)定一個(gè)超高層建筑是否安全，這都是需要相關(guān)行業(yè)人員必須要解決的難題，而各個(gè)研究機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變化的情況，是一種在特定條件下進(jìn)行的靜力推覆分析方式。在進(jìn)行實(shí)際建筑物自身結(jié)構(gòu)變化時(shí)，為了分析過程的精準(zhǔn)，也會(huì)給其加入一定的側(cè)向力，當(dāng)這一額外加入的力量開始增加，整個(gè)建筑架構(gòu)就會(huì)進(jìn)入一個(gè)逐漸變化的階段，彈性變動(dòng)進(jìn)而出現(xiàn)開裂，隨后達(dá)到整個(gè)架構(gòu)的屈服力，最后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)達(dá)到抗震標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)目標(biāo)，同時(shí)這一方法也給相關(guān)從業(yè)人員帶來了全新的評(píng)估方式，整個(gè)行業(yè)都隨之變革。

1.2 材料自身存在本構(gòu)關(guān)系與塑性鉸分析

在進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，對(duì)于靜力彈塑性的分析，均是創(chuàng)建彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系或彎矩曲率來確定不同材料之間的靜力關(guān)系。在由構(gòu)件截面所組成的本構(gòu)關(guān)系中，如果建筑物遭遇地震，其對(duì)于整個(gè)構(gòu)件的力影響從實(shí)際結(jié)構(gòu)變化狀況進(jìn)行劃分，可以分為可構(gòu)件立即恢復(fù)、出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞，威脅生命安全、結(jié)構(gòu)徹底破壞四個(gè)方面

1.3 水平力的分布模式

在進(jìn)行側(cè)向負(fù)荷的具體分布形式分析時(shí)，根據(jù)其力結(jié)構(gòu)的變化，可以體現(xiàn)出在震動(dòng)條件下，不同結(jié)構(gòu)層在慣力方面的表現(xiàn)形式，同時(shí)也可以反映出實(shí)際所造成的破壞大小。在當(dāng)前研究中，對(duì)于側(cè)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(shí)際可出現(xiàn)的形式有三個(gè)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(jìn)行分析；均布分布，相對(duì)于上一種，它所反映的是對(duì)樓層的重力與實(shí)際側(cè)向力之間的關(guān)系，進(jìn)而找到慣性力的分布；第三種為倒三角，它是以建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)型作為研究的基礎(chǔ)構(gòu)型，進(jìn)行找到對(duì)應(yīng)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(shí)反映真正的形變與受力數(shù)據(jù)，所以通常會(huì)采取兩種以上進(jìn)行綜合分析。

第二種，實(shí)時(shí)模式，實(shí)時(shí)模式也可以稱之為非固定模式，相對(duì)于固定模式，它在研究水平力分布上，相對(duì)理想，可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)較好的側(cè)向力加載與對(duì)應(yīng)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(yīng)的結(jié)構(gòu)上不斷施加更高數(shù)值的水平力，觀察整個(gè)結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性后的具體表現(xiàn)與破壞程度，進(jìn)而研究出建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)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(jīng)濟(jì)社會(huì)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(nèi)容納更多的人口，開始不斷在超高層建筑上投入更多的經(jīng)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(dòng)力。與其他國家相比，我國高層建筑規(guī)模已經(jīng)走到了一個(gè)相對(duì)較高的階段，并且，建筑物的設(shè)計(jì)風(fēng)格更是開始復(fù)雜化，各種結(jié)構(gòu)的高層建筑開始在各個(gè)城市涌現(xiàn)，有些高層建筑的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度已經(jīng)超出了國家對(duì)建筑物抗震性能要求的范圍，很多建筑一味追求風(fēng)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(cái)產(chǎn)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(yán)重的后果。正因如此，創(chuàng)新技術(shù)方法，提高超高層建筑物的抗震能力，成為每一個(gè)城市建設(shè)者與建筑設(shè)計(jì)者所關(guān)心的話題。

3 彈塑性方法在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

3.1 在假設(shè)的條件中對(duì)抗震計(jì)算結(jié)果的模型進(jìn)行對(duì)應(yīng)的分析

一個(gè)群樓，包括兩個(gè)主體建筑，分別為100米與260米，從整個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)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(xiàng)建筑在進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工時(shí)，其規(guī)定的抗震烈度為七度，在對(duì)建筑模型進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)，產(chǎn)地內(nèi)所設(shè)置的地震等級(jí)為11級(jí)，并且地震所產(chǎn)生的加速度為0.1G，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不但可以確保建筑物的經(jīng)濟(jì)效益，還可以將其抗震技術(shù)達(dá)到規(guī)定的操作范圍。此項(xiàng)建筑的中心結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土筒中筒，其內(nèi)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土剪力墻核心筒，而對(duì)應(yīng)的外筒結(jié)構(gòu)為框筒。根據(jù)我國對(duì)相關(guān)行業(yè)所做出的技術(shù)規(guī)定，處于B級(jí)高度下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，其主筒的中筒必須要小于230米的高度。而在實(shí)際情況下，超高層建筑的受力構(gòu)件仍然以梁柱與建筑支撐的剪力墻所構(gòu)成，而這個(gè)結(jié)構(gòu)組成中，其梁柱是一個(gè)整體構(gòu)件，而對(duì)于真實(shí)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(shí)際會(huì)略有不同。實(shí)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(shí)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(shí)際情況。

3.2 通過模型分析靜力彈塑性的方法

在進(jìn)行對(duì)應(yīng)的分析工作時(shí)，對(duì)于靜力彈塑性，可以有效使用并構(gòu)建出三維有限元模型。而相關(guān)的分析結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)生地震烈度為七度的罕見大地震時(shí)，建筑物整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的構(gòu)件間位移為1164mm，而這一數(shù)值處于相對(duì)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(gè)模型結(jié)構(gòu)的分析與計(jì)算中，型鋼被舍棄，并且，相應(yīng)的位置內(nèi)的鋼筋配比沒有按照對(duì)應(yīng)的要求進(jìn)行試驗(yàn)，也是導(dǎo)致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的一個(gè)因素。

3.3 對(duì)彈塑性的動(dòng)力時(shí)程進(jìn)行相關(guān)分析

在以上的模型數(shù)據(jù)分析中，可以通過相關(guān)的數(shù)據(jù)展現(xiàn)判斷出對(duì)應(yīng)的工程結(jié)構(gòu)是相對(duì)安全且具備較強(qiáng)的抗震能力，在對(duì)彈力塑性和彈塑性動(dòng)力時(shí)程的相關(guān)受力對(duì)比找那個(gè)，可以直觀的看到，塑性鉸在這個(gè)建筑中的整體分布相對(duì)均勻，但是根據(jù)彈塑性動(dòng)力時(shí)程而進(jìn)行的具體分析，其得出的結(jié)果相對(duì)更具有廣泛性。通過模型而分析出來的具體結(jié)果中存在的這一現(xiàn)象，基本可以認(rèn)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(huì)讓模型分析與現(xiàn)實(shí)中真實(shí)地震效果的具體破壞程度上，會(huì)有可能不同。

4 結(jié)語

根據(jù)以上模型分析，建筑物的抗震性能作為建筑設(shè)計(jì)的首要性能指標(biāo)，將會(huì)是未來各項(xiàng)工程在進(jìn)行抗震工作必然發(fā)展勢頭。對(duì)于建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在抗震方面具備的能力，也會(huì)成為當(dāng)今時(shí)代各個(gè)國家與相關(guān)建設(shè)單位所要重視的話題。高層建筑模型設(shè)計(jì)中，靜力彈塑性的分析形勢，也將會(huì)引起更多相關(guān)從業(yè)人員的重視。以上的分析結(jié)果表面，在分析時(shí)，采用的無論是靜力彈塑性方法還是彈塑性動(dòng)力時(shí)程，其對(duì)具體的研究與對(duì)應(yīng)建筑物抗震能力方面的判斷不會(huì)產(chǎn)生較大程度的影響，同時(shí)使用兩種判斷方法，可以對(duì)建筑物的整體抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到很好的推動(dòng)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。