基于彈塑性分析理念在超高層結構設計中的滲透討論

魏俊青

摘要：在城市化快速發展背景下，許多城市正在加大投入力度，建設更多的高層建筑，滿足人們日常生活和工作需求。在高層建筑結構設計過程中，滲透彈塑性理念，可以提高高層建筑結構的安全性和穩定性。本文圍繞基于彈塑性分析理念在超高層結構設計中的滲透討論展開討論，為高層建筑結構設計應用彈塑性理念提高參考依據。

關鍵詞：彈塑性分析;超高層;結構設計

引言：

彈塑性分析理念通過不同的方法進行研究，現階段應用較為廣泛的方法分別為靜力彈塑性分析法和彈塑性動力時程分析法。在應用上述彈塑性方法時，與高層建筑結構設計相互融合，對高層建筑結構受到靜力和動力作用時產生的狀態，分別進行研究，通過研究施加加固措施，提高高層建筑結構的穩定能力。

1.??? 提高建筑物抗震性能的必要性

提高高層建筑結構抗震性的必要性體現在以下幾個方面：首先，高層建筑規模較大，在建筑內部會出現較多的復雜結構，原有的建筑抗震等級標準無法滿足要求;其次，應用彈塑性分析理念，可以在建筑結構抗震等級基礎上，對結構形式進行改進，從而提升結構的抗震性能。

2.??? 彈塑性方法

2.1? 靜力彈塑性方法

根據高層建筑結構的形式，應用靜力彈塑性方法，向高層建筑模型施加側向的靜力，如果施加的靜力不斷增大，可以使高層建筑模型進入到不同的狀態，分別為彈性狀態、開裂狀態、屈服狀態以及結構控制狀態。在不同的狀態進行分析，可以充分掌握建筑結構在靜力狀態下所能承受的荷載。

2.2? 材料本構關系和塑性鉸特點

材料本構關系與受到的屈服力和屈服位移有關，在高層建筑受到壓力和拉力時，受壓區的結構未出現明顯的屈服位移，進入到拉區后，屈服力不斷增加時，屈服位移不斷增加，并且增加至最大值后，屈服力會區趨于平衡狀態，此時屈服位移會不斷增加。

塑性鉸特點體現在以下幾個方面：一，損壞控制;二，生命安全;三，結構失穩;四，恢復。基于上述四種塑性鉸特點，在應用彈塑性方法研究高層建筑的彈塑性性能時，可以掌握高層建筑在不同地震等級下的狀態，根據狀態對結構進行優化，使高層建筑保持良好的穩定狀態。

2.3? 水平力的分布模式

2.3.1????? 固定模式

固定模式是由三種形式組成，分別為SRSS分布形式、均布分布形式以及倒三角分布形式。

2.3.2????? 實時模式

實時模式具有理想型水平力分布形式特點，向結構施加側向力和不同的荷載，根據結構受到的振型分布變化，可以確定不同形式的分布狀態，例如在某分布狀態中，將水平力施加在結構上，水平力不斷提高，此時結構會出現塑性變化，根據某一結構出現的塑性變化，可以推斷出建筑整體塑性變化。在水平力分布狀態發生變化時，根據水平力的實際的應力狀態，最終確定建筑出現損壞的臨界點。

3.??? 彈塑性方法在超高層建筑結構設計中的應用分析

3.1? 對假設條件和計算模型進行分析

以某建筑為例，該建筑屬于群樓形式，其中主樓為辦公樓，附屬樓為2個酒店，其中主樓高度為260米，附屬樓高度為100米。主樓結構中，地上結構層數為66層，地下結構層數為3 層，地上結構層高為3.9米，地下結構層高為5 米。該建筑結構，全部采用鋼筋混凝土材料。

該高層建筑設計過程中，將抗震防裂度設定在7 度，地震分組為一組，其它基礎設施地震等級設定為11級，地震影響系數最大值為0.1克。按照該標準進行設計，可以有效控制工程的建設成本，并且在高層建筑施工過程中，施工難度較低，施工速度較快。在該建筑中的主要結構施工時，會使用到筒中筒鋼筋混凝土結構，筒中筒的外筒作為框筒，內筒主要包裹鋼筋混凝土。根據我國高層建筑建設要求，如果主體結構鋼筋混凝土的強度等級為B級，應將筒中筒的高度控制在230米以下。在高層建筑設計時，如果高層建筑屬于超高層建筑，基礎結構應具備較高的受力能力，并且與基礎連接的結構，應具備支撐剪應力的能力，其它建筑結構應設計為

剪力墻結構。在剪力墻結構中，梁柱是重要的組成構件，在梁柱構件進行受力分析時，將梁柱構件上施加三種形式的應力，分別為鉸接應力、兩端固定應力以及一端鉸接應力和一端固定應力。在梁柱結構受到不同形式的應力后，應觀察結構出現的變形狀態，如果變形狀態以剪切為主，證明結構中的剪力墻發揮應有的作用。

3.2? 對靜力彈塑性的方法進行分析

在向建筑結構施加靜力時，采用靜力彈塑性方法分析結構的受力狀態，應將結構建立成三維有限元模型，在該模型內分析靜力彈塑性狀態時，不同的抗震防裂度，會產生不同的靜力彈塑性效果，應用靜力彈塑性方法進行分析時，設定三種類型的高層建筑結構模型，將場地類別均劃分成II類，序號一建筑設防裂度為6，地震分組為1，地震影響系數最大值為0.3克，特征周期為0.35秒，彈性阻尼比為0.05，能力和需求曲線為5.918，交點坐標為0.044，層間位移角為1/329。序號二建筑設防裂度為7，地震分組為1，地震影響系數最大值為0.3克，特征周期為0.35秒，彈性阻尼比為0.05，能力和需求曲線為6.513，角點坐標為0.0，71，層間位移角為1/164。序號三建筑設防裂度為8，地震分組為1，地震影響系數最大值為0.3克，特征周期為0.35秒，彈性阻尼比為0.05。根據上述產生的分析數值，在建筑設防烈度為7 度時，高層建筑仍能保持穩定狀態。在建筑內部結構具體分析過程中，多數結構內會出現塑性鉸，表明在建筑內設置的鋼筋，可以起到穩定結構的作用。此外在建筑結構的上部區域會出現塑性鉸，但是建筑結構整體處于穩定狀態，無需對建筑結構形式進行改進。

3.3對彈塑性的動力時程進行分析

通過上述靜力彈塑性分析結果可知，在建筑的每個層間，產生的彈塑性位移，一般與角限值有關，如果彈塑性位移增加，角限值會不斷增加。但是在高層建筑結構設計時，通過靜力彈塑性方法進行分析，應將彈塑性位置控制在合理的范圍內，使角限值不斷減少，從而提高高層建筑的安全性和穩定性。通過對彈力塑性進行分析，主要分析彈塑性變化和動力變化，將該高層建筑的塑性鉸分布狀態控制在合理的范圍內，使分布狀態趨于平衡。此外廣泛應用彈塑性動力分析方法，會詳細劃分出結構產生的塑性鉸分布狀態，并根據狀態調整結構形式，使結構承載更多的應力，在較高的荷載作用下，建筑可以保持在穩定狀態。

與精力彈塑性分析相比，彈塑性動力時程分析過程中，向建筑模型施加人工波，通過人工波模擬地震產生的振動。在彈塑性動力時程分析時，分別設定不同的層間位移角，分別為1/690、1/704以及1/966，上述層間位移角狀態，結構出現的位移，均與最大加速度有關，本次分析中最大加速度為220gal。

將彈塑性動力與靜力彈塑性進行對比，該高層建筑的塑性鉸分布區域未發生明顯變化，并且在分析彈塑性動力時程過程中，彈塑性動力塑性鉸分布涉及的范圍較為廣泛，可以涵蓋地震、加載荷載等對高層建筑產生的影響，使高層建筑設計更加全面。

結語：

綜上所述，在高層建筑結構設計過程中，重點關注地震烈度對高層建筑產生的影響。采用彈塑性分析理念，通過靜力彈塑性分析和彈塑性動力時程分析，可以全面掌握建筑結構的抗震性能。通過不同角度進行分析，可以及時發現高層建筑結構設計中存在的問題，針對問題實施解決措施，如改進結構形式，或者調整結構內材料配比，進一步提升高層建筑結構的穩定性，使高層建筑滿足使用要求。

參考文獻：

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