超高层结构设计中弹塑性分析应用

 摘要：为了提高超高层建筑工程的抗震性、安全性与稳定性，在进行超高层结构设计工作时，要对结构的抗震设计工作引起重视。随着超高层建筑高度的不断增加以及结构复杂度的不断提高，弹塑性分析逐渐受到了设计人员的广泛关注。本文首先对弹塑性分析的基本概念与方法进行探讨，结合工程案例进一步研究超高层结构设计中弹塑性分析的具体应用。

关键词：超高层；结构设计；弹塑性分析

1引言

随着国内城市化进程的不断加快，建筑工程的体量与高度逐步提升，在进行一些超高层建筑结构的抗震设计工作时，现有的规范已经不能满足设计的要求。因而，设计工作中要注重弹塑性分析的应用，针对不同的超高层建筑建立相应的分析与计算模型，提高建筑结构的抗震效果，确保建筑结构能够满足抗震性方面的要求。

2概述

2.1弹塑性分析的基本概念

对于弹塑性分析方法而言，其主要是在罕遇地震作用条件下，对建筑结构进行弹塑性变形分析的一种简化方法，而弹塑性分析方法的本质就是静力方法。从理论层面上来说，应用这一方法进行结构弹塑性动力响应的预测依然存在着一定的缺陷，但是经过大量的研究与工程实践表明，在合理的适用范围之内，这一方法可以对结构非线性地震反应特征进行准确的反映，这就表明该方法有着一定的可取性。此外，通过进行弹塑性分析，还能对罕遇地震条件下建筑结构的最大层间位移角进行计算，并且可以得到不同构件的弹塑性发展过程，同时能够获得结构的薄弱层以及薄弱构件，这对于超高层结构设计有着极大的帮助。现阶段，应用较广泛的方法是美国FEMA-273推荐的目标位移法，该方法具体应用时要对结构的推覆分析。随着设计理论的不断完善，弹性分析方法也在不断成熟。

2.2静力弹塑性分析的特点

一方面，分析方法具有一定的复杂性。在应用弹塑性分析方法时，需要建立相应的空间有限元模型，进而可以对罕遇地震条件下的建筑结构进行相应的变形分析。这一过程中，由于地震作用有着较强的复杂性，因而导致了结构性能表述以及计算方法的复杂度也会随之提高。对于地震作用的复杂性而言，主要体现在地震作用的随机性，即使峰值加速度相同，其波形也存在着较大的差异，这就造成了结构的受力状况在受到地震作用后出现较大的差异。在应用弹塑性分析方法进行结构分析时会出现较大的误差，并且误差的大小和高阶振型效应的大小有着直接的关系。同时，复杂性还体现在结构自身弹塑性性能的描述方面：①在进行材料本构关系的描述过程中，要比线弹性阶段的描述过程复杂。这一过程中不仅要对所给材料的初始弹性状态的物理特性进行相应的描述，同时还要对所给材料的滞回性能进行描述。②有限单元模型具有一定的复杂性。在进行有限元模型的建立时，要考虑到结构弹塑性的性质等。③计算方法上具有一定的复杂性。比如计算工作中要对非线性方程组进行计算与求解，这一过程相对麻烦，同时计算工作中还要对线性方程组进行求解。另一方面，弹塑性分析要考虑到材料本构关系，并且要对塑性铰特性进行研究。在应用弹塑性分析方法时，材料关系可以使用弯矩转角关系或者是构件截面所具有的弯矩-曲率关系进行表示，不同种类塑性铰的本构模型。

3弹塑性分析方法分析

3.1静力弹塑性分析方法

所谓的静力弹塑性分析法，一般也被称为静力推覆分析方法。在应用这一分析方法进行结构设计工作时，要对结构的实际状况进行考虑。通过对不同的建筑结构施加相应的侧向力，同时提高该力的数值，能够使建筑结构经历不同的受力阶段，比如可以使结构经历弹性阶段、开裂以及屈服阶段、结构控制位移等几个不同的阶段。这样一来，建筑结构就可发展成为机构或者能够达到预期目标位移。需要注意的是，这一过程中所施加的侧向力主要受到地震水平惯性力的影响。通过进行静力弹塑性分析，可以对地震作用下的建筑结构受力与变化状况进行全面的了解，能够对结构变形状况、结构内力特性以及破坏机理、结构的薄弱位置进行判断，同时可以了解到塑性铰的发生次序和部位，进而能够对建筑结构所能承受的地震荷载状况进行相应的判断。

3.2弹塑性动力时程分析法

对于这一分析方法而言，主要是在20世纪60年代形成的。该方法现阶段主要应用于超高层建筑结构的抗震分析工作，有一些国家已经将这一分析方法纳入到抗震设计规范中，并且主要用于超高层结构设计的分析。时程分析法本质上属于动力分析方法的一种类型，在具体计算工作中需要对建筑结构列出相应的运动微分方程，并借助于积分等工具进行求解。在应用时程分析法进行结构设计工作时，要对不同质点随时间变化的位移状况、移动速度状况做出分析，并且要对变形时程以及内力时程的变化情况进行相应的计算。一般来说，时程分析法应用时需要输入、输出较大的数据量，并且计算过程极其复杂。因而，该方法的应用有着一定的阻碍，但是随着近几年来计算机技术以及配套软件技术的不断发展，该方法获得了快速的发展与广泛的应用。

4案例分析

4.1工程概况

该工程为某世界贸易中心建筑，建筑的下部有七层裙楼，主体建筑包括两栋酒店建筑以及一栋办公楼，酒店的高度为100m，办公楼的高度为260m。该建筑的主体结构分为地上与地下两部分，其中地上66层、地下3层。建筑的标准楼层高度是3.9m，同时还包含了避难层以及底部四层建筑，高度是5m。在进行该建筑的抗侧力体系结构选取时，应用的是钢筋混凝土筒中筒结构。

4.2计算模型一级假设条件

在进行建筑结构设计工作时，主要计算参数如下：①建筑的抗震设防烈度是七度，基本地震加速度选为0.1g。②该建筑属于Ⅱ级场地，并且在进行设计地震分组时属于第1组。结构设计工作中，为了满足技术要求以及工程的经济性要求，设计人员应用了钢筋混凝土筒中筒结构。其中，建筑的外筒结构应用的是框筒，内筒结构应用的是钢筋混凝土剪力墙核心筒结构。在查阅了设计规范之后，发现B级高度的钢筋混凝土筒中筒结构的最大高度为230m。结构设计中，将梁柱以及支撑剪力墙、楼板等构造作为了该超高层建筑的主要受力构件。对于梁柱构件而言，可以看作是一维构件，计算模拟工作中要对受力情况进行模拟。同时，由于结构的受力情况状况相对复杂，连接方式可以分为三种类型：两端铰接、两端固定以及一端铰接、一端固定三种不同的连接方式。设计过程中，如果梁柱截面相对较大，那么可以要对剪切变形进行考虑。在进行超高层结构设计时，剪力墙是主要的抗侧力构件。通过应用有限元理论进行结构受力状态的模拟。

4.3静力弹塑性分析

在对该建筑结构进行分析时，主要应用了非线性有限元计算与分析软件，并且这一过程中根据建筑实际状况构建了三维的有限元模型。经过分析之后，主要得到了以下几点结论：首先，当建筑结构受到7度罕遇地震作用的条件下，结构的层间位移等到了1/164。这一数值相对于规范规定的位移角限值（1/120）小。因而，该建筑结构在受到7度地震作用时，不会发生倒塌的问题。其次，通过进行推覆分析工作后，可以发现结构中的部分柱子在脚部位置以及顶部位置出现了相应的塑性绞，并且这一问题和角柱为异形柱存在着密切的关系。另外，在应用模型进行计算工作时，并没有加入型钢，对于混凝土柱的配筋状况也没有进行相应的调节。

4.4弹塑性动力时程分析

具体分析工作中，设计人员主要选取了一组人工波以及两组实际强震记录进行分析，人工波主要是通过人工的方式进行加速度时程曲线的模拟。从最终的数据可以看出，模拟过程中原始最大加速度达到了54.8gal以及207.8gal、67.2gal。此外，在结构的最大层间位移角方面，数据分别是1/690和1/704、1/966。通过查阅相应的设计规范，得到了调整后的最大加速度是220gal。因而，能够从数据对比上得到以下结论：一方面，相比于规范中位移角限值的数据规定，该结构的层间弹塑性位移相对较小，因而结构有着较强的安全性与可靠度。另一方面，通过对两种不同的分析方法进行对比可以得出，这一结构有着相对一致的塑性绞分布区域。但是，通过应用弹塑性动力时程分析方法，得出的区域更加广泛，这一差异主要与高振型作用有关。

5结束语

随着建筑高度的不断提升，为了改善超高层建筑的抗震性能，设计人员在进行超高层结构设计工作时要注重弹塑性分析方法的应用。通过弹塑性分析方法的应用，可以提高超高层结构抗震设计的质量，因而这一分析方法要得到工程人员的重视。此外，在进行超限高层建筑结构的设计时，还要注重结构弹塑性动力时程分析以及结构静力弹性塑性分析方法的结合使用，对于地震作用下的结构受力状况做出全面分析与研究，不断提升超高层结构设计工作质量，促进我国建筑行业的健康发展。

参考文献

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[2]徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3]方鸿强.静力弹塑性分析在超高层结构设计中的应用研究[J].第二十一届全国高层建筑结构学术会议论文，2017.