彈塑性分析理念在超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的滲透

石 磊 （武漢市規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430000）

1 提高建筑物抗震性能的必要性

對(duì)比世界各國(guó)家的建筑建設(shè)規(guī)模，我國(guó)高層建筑工程的建設(shè)規(guī)模相對(duì)處于一個(gè)較高的水平，同時(shí)，建筑樓層的高度也在不斷地增加，并呈現(xiàn)出多種結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的體型，有些超高層的建筑在結(jié)構(gòu)抗震方面的設(shè)計(jì)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了國(guó)家在抗震設(shè)計(jì)上的相關(guān)要求、規(guī)范，并超過(guò)了國(guó)家對(duì)超高層建筑在高度和建筑結(jié)構(gòu)方面的相關(guān)規(guī)程和范圍要求，如果只是一味地用沒(méi)有更新的方法預(yù)防超高層建筑的抗震性能而不對(duì)其加以討論和有效分析，在最大程度上促進(jìn)建筑物抗震性能的提升，會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全性和抗震方面的可靠性產(chǎn)生巨大的威脅。因此，必須要利用新的技術(shù)方法，有效提高超高層建筑物抗震性能。

2 彈塑性方法

2.1 靜力彈塑性方法

靜力彈塑性方法也就是一定程度上的靜力推覆分析方法，此方法中最主要的判斷依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)自身的實(shí)際情況，當(dāng)然，也會(huì)為建筑結(jié)構(gòu)添加少量的側(cè)向力。若側(cè)向力逐漸變大，就會(huì)讓建筑架構(gòu)歷經(jīng)彈性、開(kāi)裂、屈服、結(jié)構(gòu)控制位移等多個(gè)階段，但也只有這樣才能在最大程度上促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期的唯一目標(biāo)或成為機(jī)構(gòu)，也能讓研究者充分了解地震對(duì)建筑機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的影響[1]。

2.2 材料本構(gòu)關(guān)系和塑性鉸特點(diǎn)

通常情況下，靜力彈塑性的分析方法都是用構(gòu)件截面的彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系或彎矩曲率來(lái)表示材料之間的關(guān)系。如圖所示是各種塑性鉸的本構(gòu)關(guān)系。

塑性鉸的本構(gòu)關(guān)系

根據(jù)ATC-40，若遭受地震，則可能表現(xiàn)出立即恢復(fù)IO（Immediate Occupancy）、損壞控制DC（Damage Control）、生命安全LS（LifeSafety）及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)SS（Structural Stability）4種不同的狀態(tài)。同時(shí)，此標(biāo)準(zhǔn)還能給出墻、柱、梁等構(gòu)件在4種不同狀態(tài)下的塑性限值。

2.3 水平力的分布模式

側(cè)向荷載的分布形式不但可對(duì)地震作用下結(jié)構(gòu)層慣性力的分布特征充分體現(xiàn)，還能讓求出的位移數(shù)據(jù)在最大程度上對(duì)地震作用下的結(jié)構(gòu)位移狀況進(jìn)行真實(shí)反映。就目前的實(shí)際情況來(lái)看，在對(duì)靜力彈塑性進(jìn)行分析的過(guò)程中，可有效地將側(cè)向荷載分成兩大類(lèi)。

第一類(lèi)是應(yīng)用比較普遍的固定模式，F(xiàn)EMA-273推薦的形式可分為以下3種：a.SRSS分布，此種分布形式能對(duì)譜振型組合得到的慣性力進(jìn)行充分反應(yīng)；b.均布分布，此種分布形式中所在樓層重力大小是各樓層側(cè)向力的直觀反映，并能反映譜振型組合得到的慣性力分布；c.倒三角分布，此種分布形式是一種以結(jié)構(gòu)振型為基礎(chǔ)振型的慣性力分布形式。不論是哪種荷載的分布方式，都不可能對(duì)結(jié)構(gòu)的全部變形和受力要求進(jìn)行反映，所以，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，都需要對(duì)兩種或兩種以上的荷載分布方式進(jìn)行討論和分析。

第二類(lèi)是實(shí)時(shí)模式，即不固定的模式。這種模式是一種理想型的水平力分布方式，也就是主要進(jìn)行適應(yīng)性的側(cè)向力加載和分析[2]。按照不同工作階段中結(jié)構(gòu)的周期借助反應(yīng)譜求取作用在結(jié)構(gòu)上的總水平力，并依據(jù)結(jié)構(gòu)的振型對(duì)水平力的分布方式進(jìn)行有效確定；將某種分布的水平力施加在結(jié)構(gòu)上后對(duì)水平力的數(shù)值進(jìn)行逐步增加，在最大程度上促進(jìn)結(jié)構(gòu)中的各個(gè)桿件慢慢進(jìn)入塑性。通過(guò)結(jié)構(gòu)逐漸進(jìn)入塑性，整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)在動(dòng)力特性方面也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，所以，也可以反過(guò)來(lái)對(duì)水平力的分布和大小按照實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，如此反復(fù)，確保建筑結(jié)構(gòu)最終能達(dá)到預(yù)定的破壞目標(biāo)。

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 對(duì)假設(shè)條件和計(jì)算模型進(jìn)行分析

某市的一座群樓，建筑高度為7層，其中包括2個(gè)酒店和1個(gè)辦公樓，主要高度分別為100m和260m。此建筑的主結(jié)構(gòu)分為地下3層和地上66層，每層樓的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高度為3.9m，但地下3層和避難層的高度均為5m。按照建筑強(qiáng)度來(lái)看，此建筑物的抗側(cè)力體系結(jié)構(gòu)最主要的還是鋼筋混凝土[3]。

此工程的抗震防烈度設(shè)置為七度，地震分組為第一組，主要場(chǎng)地設(shè)置為11級(jí)，基本地震加速度進(jìn)一步設(shè)計(jì)為0.1g。這樣做不但能在最大程度上確保工程的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還能保證其有效達(dá)到技術(shù)的可操作性。此工程中的結(jié)構(gòu)主要是鋼筋混凝土筒中筒，外筒使用的是框筒，內(nèi)筒是鋼筋混凝土剪力墻的核心筒。國(guó)家有關(guān)規(guī)范中明確標(biāo)出：在B級(jí)高度的鋼筋混凝土中，主筒中筒的最高高度應(yīng)≤230m。一般情況下，在超高層建筑中，最為基礎(chǔ)的受力構(gòu)件主要是梁柱和建筑支撐剪力墻，其中，梁柱屬于一種構(gòu)件，借助牢間桿單元可以模擬受力的情況，但現(xiàn)實(shí)中的受力情況也會(huì)存在一定的差距，按照此不同，可以將其分成3種不一樣的方式，即鉸接梁段、兩端固定和一端鉸接另一端固定。如果有比較大的基面存在于梁柱之間，則需要根據(jù)實(shí)際情況考慮剪切的變形情況。

3.2 對(duì)靜力彈塑性的方法進(jìn)行分析

通過(guò)非線性的有限元分析計(jì)算軟件時(shí)，可以借助三維有限元模型的構(gòu)建來(lái)分析工程的靜力彈塑性，表1是此次的分析結(jié)果。在進(jìn)行相關(guān)的分析研究后可得出，在遭遇7。罕遇地震后，建筑結(jié)構(gòu)的牢間位移等于1164mm，此數(shù)值相比于其他數(shù)值而言，屬于相關(guān)規(guī)范內(nèi)彈塑性層位移角限制的最小值。所以，若此建筑工程不幸遭遇到7。地震時(shí)，倒塌的可能性不大。有些柱子在頂部和腳步的位置會(huì)存在塑性鉸，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是此時(shí)的角柱在很大程度上屬于異形柱，所以，可以推斷出型鋼并沒(méi)有參與整個(gè)模型的計(jì)算和分析。當(dāng)然，針對(duì)上部存在塑性絞的地方，也沒(méi)有對(duì)混凝土柱的配筋按照要求和實(shí)際情況作出相應(yīng)的調(diào)試（如表1所示）。

靜力彈塑性的分析結(jié)果表1

3.3 對(duì)彈塑性的動(dòng)力時(shí)程進(jìn)行分析

通過(guò)研究表1數(shù)據(jù)可看出，間層的彈塑性位移和有關(guān)規(guī)范之中所規(guī)定的的角限值非常小，所以可以通過(guò)此數(shù)據(jù)來(lái)判定此工程結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較高的安全性和可靠性。比較分析彈力塑形和彈塑性動(dòng)力時(shí)程可以更為清楚地看出，此工程之中存在的塑性鉸分布區(qū)域基本相同，但借助彈塑性動(dòng)力時(shí)程計(jì)算分析得到的塑性鉸分布區(qū)域會(huì)較精力彈塑性得到的分布區(qū)域更為廣泛。針對(duì)此現(xiàn)象和情況，可以考慮是否是靜力彈塑性分析方法未將高振型本身發(fā)揮的作用納入計(jì)算和思考的范圍之內(nèi)，這就會(huì)讓通過(guò)加載模式分析得出的影響和真實(shí)地震產(chǎn)生的影響在一定程度上存在差異[4-5]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，將建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)建立在建筑的性能基礎(chǔ)之上，會(huì)是工程抗震未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，所以，討論和分析其實(shí)用性，是全世界范圍內(nèi)地震工程領(lǐng)域中非常重要的研究課題之一。其中，靜力彈塑性的分析方法能有效實(shí)現(xiàn)超高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，這也引起也不少專(zhuān)家學(xué)者的廣泛關(guān)注。而從文章的研究來(lái)看，在進(jìn)行超高層建筑施工的過(guò)程中，不論是采用靜力彈塑性的分析方法還是采用彈塑性動(dòng)力時(shí)程的分析方法，都不會(huì)影響其在地震作用的狀態(tài)下的判斷和分析，而且兩種方法都是建筑過(guò)程中不能缺少的，且能起到很重要的積極作用。通過(guò)對(duì)彈塑性進(jìn)行分析和討論，可以更容易地發(fā)現(xiàn)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)體系之中隱藏的薄弱環(huán)節(jié)和部位，通過(guò)推斷結(jié)構(gòu)的破壞次序，能為高層和超高層的建筑結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中提供借鑒，具有非常重大且深遠(yuǎn)的實(shí)際作用。