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

鄒華富

摘? ? 要：建筑行業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位一直是相當(dāng)穩(wěn)固，這些年來，我國的經(jīng)濟發(fā)展帶動了建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展。不少高樓大廈拔地而起，而建筑物的穩(wěn)定性、安全性首要考慮的問題，材料的彈塑性分析在建筑行業(yè)的應(yīng)用理應(yīng)受到更多的關(guān)注。因此本文將從超高層建筑入手，討論彈塑性分析在提高建筑的防震性能中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：彈塑性分析;超高層建筑;防震能力;模型分析

1? 前言

近些年來，隨著全球經(jīng)濟朝著向好發(fā)展的局勢，全球高樓的數(shù)量日益增多，我國香港、深圳、上海、廣州等城市的高樓數(shù)量在世界上名列前茅。這些年我國的“四個現(xiàn)代化”的總體目標(biāo)鞭策著國人不斷努力奮進，越來越多的人想要在大城市中奮斗和扎根，這也就加快了城鎮(zhèn)化的進程。因為供城市不斷擴張的土地不斷減少，所以城市開始“向上”發(fā)展，高樓平地而起。建筑物的高度增加，對建筑行業(yè)的相關(guān)要求也更加嚴(yán)格。而防震能力也是在評估建筑群的安全性時所需要考慮的。

2? 提高城市建筑物防震性能的必要性

由于現(xiàn)在愈來愈多的人來到大城市生活和工作，城市土地的面積有限等諸多原因，城市需要不斷地修建更多的超高層建筑來容納日益增加的人口?，F(xiàn)如今，我國的高層建筑規(guī)模，相較于其他國家已經(jīng)進入了高速發(fā)展的階段，各大城市也涌現(xiàn)設(shè)計風(fēng)格各異的高層建筑。但是一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑物在追求獨特風(fēng)格和美觀的同時，在抗震需求方面可能并未達到國腳要求的安全范圍，這給人民群眾的生命和財產(chǎn)安全留下極大的隱患[1]。同時，我們也常在新聞上看到一些豆腐渣工程和一些地區(qū)發(fā)生地震的報道，這給社會也帶來了一些不好的影響。因此，著力于研究如何去提高高層建筑的抗震能力，提高超高建筑物的安全性，是造福于人民和社會的大事，是應(yīng)當(dāng)受到建筑設(shè)計師和城市建設(shè)者的共同關(guān)注。所以提高城市超高層建筑的防震能力是城鎮(zhèn)化所必要的。

3? 彈塑性分析

3.1? 靜力彈塑性分析方法

彈性和塑性是材料的基本特性，彈塑性的分析在工程材料學(xué)、工程力學(xué)中都是重要的研究內(nèi)容。靜力彈塑性分析法，又稱為推覆法和靜力載荷增量法。物體在受到外界作用力的情況下，其自身的結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定程度的變化，因此在特定條件下需要對材料進行力的分析。在實際建筑物結(jié)構(gòu)變化的分析過程中，會加入一個變化的側(cè)向力來提高實驗分析的精度。當(dāng)這個外加側(cè)向力開始變化時，建筑物的架構(gòu)首先會發(fā)生彈性變形，當(dāng)外界力對構(gòu)架的作用超過了構(gòu)架的屈服強度，構(gòu)架就會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形，最后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的位移，甚至是斷裂。因此，確定在這個過程中的最大的彈塑力，對建筑物是否達到規(guī)定的抗震標(biāo)準(zhǔn)有著極其重要的參考意義。這種全新的方法為建筑設(shè)計師們提供新的參考，為行業(yè)的發(fā)展提供了保障。

3.2? 材料的本構(gòu)關(guān)系與塑性鉸分析

由工程力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容可知，在進行靜力彈塑性分析時，常用的方法都是建立彎矩與轉(zhuǎn)角或曲率之間的關(guān)系來確定構(gòu)件材料的靜力關(guān)系。材料的本構(gòu)關(guān)系主要是由構(gòu)件的橫截面構(gòu)成。在此關(guān)系中，地震對建筑物構(gòu)件的力影響會造成實際結(jié)構(gòu)的變化。從這方面來看，可大致分為以下四類，構(gòu)件可立即恢復(fù)、出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的損壞、威脅生命安全和徹底的結(jié)構(gòu)破壞。

3.3? 水平力的分布模式

在分析側(cè)向載荷的分布形式的過程中，從力的結(jié)構(gòu)變化方面來看，它可以得出在不同震動條件下，不同結(jié)構(gòu)層的慣性力分布形式不同，也可以體現(xiàn)出實際破壞的大小。就目前的研究結(jié)果而言，側(cè)向力的分布模式可分為固定模式和實時模式這兩類。

就固定模式而言，在實際中它又可以拓展為以下三個小分支：SRSS分布模式、均勻分布模式、倒三角分布模式。SRSS分布形式主要是能直接顯示出慣性力，分析的過程十分的簡便;均勻分布主要是能夠得到重力與實時側(cè)向載荷之間的關(guān)系，進而再得出慣性力的分布;倒三角分布主要是以構(gòu)件的結(jié)構(gòu)構(gòu)型為基礎(chǔ)，進而再得到慣性力的分布[2]。在實際的分析中，由于只應(yīng)用一種模式無法反映受力與形變之間的真實關(guān)系，所以在實際應(yīng)用中一般會采用至少兩種模式進行綜合的分析。

第二種實時模式，與固定模式相比它是一種理想化的研究水平力分布的模式，所以又稱為非固定模式。它可以較好的用于側(cè)向負(fù)載與對應(yīng)的分析。在這種模式下的求取總水平力和水平力分布分析都是采用周期性的研究。它是在逐漸增加建筑物的相應(yīng)構(gòu)件上的側(cè)向水平力的過程中，觀察構(gòu)件在塑性變形的全過程和最終構(gòu)件的破壞程度，進而通過一系列的計算得出建筑物應(yīng)對地震破壞的能力大小。

4? 彈塑性方法在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用分析

4.1? 在假設(shè)的條件中對抗震計算結(jié)果的模型進行對應(yīng)的分析

在整個建筑物的結(jié)構(gòu)中，只有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠擁有抗震得作用?，F(xiàn)在我們假設(shè)有一個樓群模型，它只包含有兩幢建筑物，高度分別是100m和260m，在設(shè)計和施工時規(guī)定的抗震烈度是7度。在對其抗震能力檢驗和分析時，設(shè)置地震等級為7級，地震產(chǎn)生得加速度為0.1G，由此可知該結(jié)構(gòu)得設(shè)計，不但可以達到規(guī)定得抗震能力，而且得到了較好得經(jīng)濟效益。該建筑的中心結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土筒中筒，外筒為框架筒，內(nèi)筒主要是剪力墻核心筒。根據(jù)我國國標(biāo)對建筑行業(yè)相關(guān)技術(shù)做出的要求可知，B級高度下的鋼筋混凝土主筒的中筒的高度要小于230m。超高層建筑的受力構(gòu)件主要包括梁柱和剪力墻，其中梁柱是整體構(gòu)件，主要是應(yīng)用牢間桿單元對受力情況進行模擬，但是實際的應(yīng)用的情況往往和模擬的情況是不同的[3]。在現(xiàn)實生活中的受力情況下，梁有三種連接方式，分別是兩端固定連接、一邊固定一邊鉸鏈連接和兩端鉸鏈連接。在實際建筑中往往存在較大體積基面的情況，這時的剪切力和形變情況還要考慮更多的因素。

4.2? 通過模型分析靜力彈塑性的方法

在進行靜力彈塑性的分析時，可以構(gòu)建一個三維有限元模型?？茖W(xué)研究表明，當(dāng)發(fā)生地震烈度為七度的地震時，建筑的構(gòu)件間的位移是1164mm，該數(shù)據(jù)在安全范圍之內(nèi)，整個建筑物只有極小可能會坍塌。然而經(jīng)過模型分析后，發(fā)現(xiàn)由于異形柱的原因，建筑物的頂部和底部的某些柱子上出現(xiàn)了塑性鉸。由此也可以知道，在模型結(jié)構(gòu)的分析和計算中，舍棄型鋼，一些相應(yīng)位置沒有按照相應(yīng)鋼筋配比的要求進行實驗?zāi)M，同樣會造成上述問題的出現(xiàn)。

4.3? 對彈塑性的動力時程進行相關(guān)分析

在對建筑模型進行數(shù)據(jù)分析的過程中，對彈塑性及其動力時程的相應(yīng)的受力進行對比和分析后，能夠直觀的了解到，在整個建筑中塑性鉸的分布時相對來說比較均勻的，但是在應(yīng)用彈塑性動力時程進行更加具體的分析之后，可以得知其結(jié)果更加具有廣泛性。同時通過一些數(shù)據(jù)的分析，可以初步的判斷出其結(jié)構(gòu)是具有一定的安全系數(shù)和較好的防震效果。與此同時，這一現(xiàn)象普遍存在于模型分析出的結(jié)果當(dāng)中，大體上是可以認(rèn)為這是高振型模型自身帶有的，并且還沒有融入彈塑性分析方法。

然而該問題也讓模型分析與實際地震造成的破壞有所不同，這也是不可避免的。

5? 結(jié)束語

在建筑物在設(shè)計過程中，首先要關(guān)注它的抗震的能力，這也將成為未來工程實際中抗震工作的發(fā)展趨勢，彈塑性分析的方法也將受到更多專業(yè)人士的應(yīng)用。同時使用彈力彈塑性方法和彈塑性動力時程，能夠推動建筑物抗震設(shè)計，還可以為超高建筑物的發(fā)展提供模型借鑒。

參考文獻：

[1] 何劍平框架—核心筒超高層結(jié)構(gòu)彈塑性分析[D] 大連理工大學(xué)，2013.

[2] 方鴻強，章宏東.靜力彈塑性分析在超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能評估中的研究與應(yīng)用[A].漢嘉創(chuàng)新技術(shù)年會[C]， 2011.

[3] 李曉云，龔麗蓉.靜力彈塑性分析方法在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2017（1）：221～222.