基于彈塑性分析理念在超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的滲透討論

魏俊青

摘要：在城市化快速發(fā)展背景下，許多城市正在加大投入力度，建設(shè)更多的高層建筑，滿足人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ餍枨?。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，滲透彈塑性理念，可以提高高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。本文圍繞基于彈塑性分析理念在超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計中的滲透討論展開討論，為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用彈塑性理念提高參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：彈塑性分析;超高層;結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言：

彈塑性分析理念通過不同的方法進(jìn)行研究，現(xiàn)階段應(yīng)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(yīng)用上述彈塑性方法時，與高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計相互融合，對高層建筑結(jié)構(gòu)受到靜力和動力作用時產(chǎn)生的狀態(tài)，分別進(jìn)行研究，通過研究施加加固措施，提高高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定能力。

1.??? 提高建筑物抗震性能的必要性

提高高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性的必要性體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，高層建筑規(guī)模較大，在建筑內(nèi)部會出現(xiàn)較多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，原有的建筑抗震等級標(biāo)準(zhǔn)無法滿足要求;其次，應(yīng)用彈塑性分析理念，可以在建筑結(jié)構(gòu)抗震等級基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，從而提升結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.??? 彈塑性方法

2.1? 靜力彈塑性方法

根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)的形式，應(yīng)用靜力彈塑性方法，向高層建筑模型施加側(cè)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(jìn)入到不同的狀態(tài)，分別為彈性狀態(tài)、開裂狀態(tài)、屈服狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)控制狀態(tài)。在不同的狀態(tài)進(jìn)行分析，可以充分掌握建筑結(jié)構(gòu)在靜力狀態(tài)下所能承受的荷載。

2.2? 材料本構(gòu)關(guān)系和塑性鉸特點

材料本構(gòu)關(guān)系與受到的屈服力和屈服位移有關(guān)，在高層建筑受到壓力和拉力時，受壓區(qū)的結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯的屈服位移，進(jìn)入到拉區(qū)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(qū)趨于平衡狀態(tài)，此時屈服位移會不斷增加。

塑性鉸特點體現(xiàn)在以下幾個方面：一，損壞控制;二，生命安全;三，結(jié)構(gòu)失穩(wěn);四，恢復(fù)?；谏鲜鏊姆N塑性鉸特點，在應(yīng)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(tài)，根據(jù)狀態(tài)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使高層建筑保持良好的穩(wěn)定狀態(tài)。

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(jié)構(gòu)施加側(cè)向力和不同的荷載，根據(jù)結(jié)構(gòu)受到的振型分布變化，可以確定不同形式的分布狀態(tài)，例如在某分布狀態(tài)中，將水平力施加在結(jié)構(gòu)上，水平力不斷提高，此時結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)塑性變化，根據(jù)某一結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(tài)發(fā)生變化時，根據(jù)水平力的實際的應(yīng)力狀態(tài)，最終確定建筑出現(xiàn)損壞的臨界點。

3.??? 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

3.1? 對假設(shè)條件和計算模型進(jìn)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(jié)構(gòu)中，地上結(jié)構(gòu)層數(shù)為66層，地下結(jié)構(gòu)層數(shù)為3 層，地上結(jié)構(gòu)層高為3.9米，地下結(jié)構(gòu)層高為5 米。該建筑結(jié)構(gòu)，全部采用鋼筋混凝土材料。

該高層建筑設(shè)計過程中，將抗震防裂度設(shè)定在7 度，地震分組為一組，其它基礎(chǔ)設(shè)施地震等級設(shè)定為11級，地震影響系數(shù)最大值為0.1克。按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，可以有效控制工程的建設(shè)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(jié)構(gòu)施工時，會使用到筒中筒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，筒中筒的外筒作為框筒，內(nèi)筒主要包裹鋼筋混凝土。根據(jù)我國高層建筑建設(shè)要求，如果主體結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土的強度等級為B級，應(yīng)將筒中筒的高度控制在230米以下。在高層建筑設(shè)計時，如果高層建筑屬于超高層建筑，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)具備較高的受力能力，并且與基礎(chǔ)連接的結(jié)構(gòu)，應(yīng)具備支撐剪應(yīng)力的能力，其它建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計為

剪力墻結(jié)構(gòu)。在剪力墻結(jié)構(gòu)中，梁柱是重要的組成構(gòu)件，在梁柱構(gòu)件進(jìn)行受力分析時，將梁柱構(gòu)件上施加三種形式的應(yīng)力，分別為鉸接應(yīng)力、兩端固定應(yīng)力以及一端鉸接應(yīng)力和一端固定應(yīng)力。在梁柱結(jié)構(gòu)受到不同形式的應(yīng)力后，應(yīng)觀察結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的變形狀態(tài)，如果變形狀態(tài)以剪切為主，證明結(jié)構(gòu)中的剪力墻發(fā)揮應(yīng)有的作用。

3.2? 對靜力彈塑性的方法進(jìn)行分析

在向建筑結(jié)構(gòu)施加靜力時，采用靜力彈塑性方法分析結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，應(yīng)將結(jié)構(gòu)建立成三維有限元模型，在該模型內(nèi)分析靜力彈塑性狀態(tài)時，不同的抗震防裂度，會產(chǎn)生不同的靜力彈塑性效果，應(yīng)用靜力彈塑性方法進(jìn)行分析時，設(shè)定三種類型的高層建筑結(jié)構(gòu)模型，將場地類別均劃分成II類，序號一建筑設(shè)防裂度為6，地震分組為1，地震影響系數(shù)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(biāo)為0.044，層間位移角為1/329。序號二建筑設(shè)防裂度為7，地震分組為1，地震影響系數(shù)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(biāo)為0.0，71，層間位移角為1/164。序號三建筑設(shè)防裂度為8，地震分組為1，地震影響系數(shù)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(jù)上述產(chǎn)生的分析數(shù)值，在建筑設(shè)防烈度為7 度時，高層建筑仍能保持穩(wěn)定狀態(tài)。在建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體分析過程中，多數(shù)結(jié)構(gòu)內(nèi)會出現(xiàn)塑性鉸，表明在建筑內(nèi)設(shè)置的鋼筋，可以起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。此外在建筑結(jié)構(gòu)的上部區(qū)域會出現(xiàn)塑性鉸，但是建筑結(jié)構(gòu)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，無需對建筑結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)。

3.3對彈塑性的動力時程進(jìn)行分析

通過上述靜力彈塑性分析結(jié)果可知，在建筑的每個層間，產(chǎn)生的彈塑性位移，一般與角限值有關(guān)，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(jié)構(gòu)設(shè)計時，通過靜力彈塑性方法進(jìn)行分析，應(yīng)將彈塑性位置控制在合理的范圍內(nèi)，使角限值不斷減少，從而提高高層建筑的安全性和穩(wěn)定性。通過對彈力塑性進(jìn)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(tài)控制在合理的范圍內(nèi)，使分布狀態(tài)趨于平衡。此外廣泛應(yīng)用彈塑性動力分析方法，會詳細(xì)劃分出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的塑性鉸分布狀態(tài)，并根據(jù)狀態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu)形式，使結(jié)構(gòu)承載更多的應(yīng)力，在較高的荷載作用下，建筑可以保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

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(chǎn)生的振動。在彈塑性動力時程分析時，分別設(shè)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(tài)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的位移，均與最大加速度有關(guān)，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(jìn)行對比，該高層建筑的塑性鉸分布區(qū)域未發(fā)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(chǎn)生的影響，使高層建筑設(shè)計更加全面。

結(jié)語：

綜上所述，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，重點關(guān)注地震烈度對高層建筑產(chǎn)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(jié)構(gòu)的抗震性能。通過不同角度進(jìn)行分析，可以及時發(fā)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題，針對問題實施解決措施，如改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式，或者調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)材料配比，進(jìn)一步提升高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使高層建筑滿足使用要求。

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