高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)彈塑性分析應(yīng)用

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【摘要】超高層建筑的安全性能是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，而建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能是結(jié)構(gòu)安全性能設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，利用彈塑性分析對(duì)超高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能設(shè)計(jì)已成為超高層設(shè)計(jì)的必然趨勢，本文主要介紹彈塑性分析法在超高層建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】彈塑性分析；高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.高層建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性性能主要相關(guān)因素

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，如果高層建筑結(jié)構(gòu)一致停留在彈性狀態(tài)下，那么此時(shí)的建筑材料在符合胡克定律（固體材料受力后，材料中的應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系）條件下的反應(yīng)叫做彈性地震反應(yīng)；當(dāng)?shù)卣鹱饔昧υ龃螅ㄖY(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性，此時(shí)的建筑材料不再符合胡克定律，建筑結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生彈塑性反應(yīng)[1]。

1.1彈性及彈塑性的結(jié)構(gòu)剛度和阻尼

彈性地震反應(yīng)借助于剛度矩陣來完成相應(yīng)計(jì)算，建立彈性地整力與結(jié)構(gòu)體系位移之間的關(guān)系；在彈塑性階段，地震力與結(jié)構(gòu)位移之間不是簡單的線性關(guān)系，只有在雙線性恢復(fù)力模型中位移同時(shí)處在相同的直線段時(shí)，剛度矩陣才能滿足常量，當(dāng)位移不在同一直線上時(shí)，剛度矩陣發(fā)生改變，形成阻尼矩陣[2]。因阻尼矩陣由無數(shù)剛度矩陣共同組成，所以阻尼矩陣與剛度矩陣的變化趨勢基本相同。

1.2彈塑性反應(yīng)的特殊性

建筑結(jié)構(gòu)在地震左右力下進(jìn)入彈性反應(yīng)后當(dāng)?shù)卣Τ掷m(xù)增大將進(jìn)入彈塑性反應(yīng)狀態(tài)。反之，當(dāng)?shù)卣鹆ψ饔迷趶椥噪A段后期，結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度超過一定限度，這時(shí)由彈性地震反應(yīng)所得結(jié)果與彈塑性地震階段所得結(jié)果基本相同，這時(shí)結(jié)構(gòu)的彈性反應(yīng)與彈塑性反應(yīng)可以看作等同效果。

1.3地震力與位移關(guān)系

在正常狀態(tài)下，地震作用與彈性變形成線性關(guān)系，地震力越大彈性變形越大，理論上彈性變形無限制可以一直增長，但是常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)不可能無限變形下去，隨著地整力不斷增大，結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服程度，建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性變形階段，隨著地震力的持續(xù)增大，彈塑性變形增長越來越慢，達(dá)到一定程度后不再增長，但是彈塑性變形能力的不再增長并不影響結(jié)構(gòu)變形的持續(xù)。而由于建筑塑性變形速度沒有地震力減小速度快，常會(huì)出現(xiàn)地震力減小后建筑物塑性變形能力加強(qiáng)的情況，故建筑結(jié)構(gòu)彈性及彈塑性階段并沒有明顯的區(qū)分界限[3]。

1.4結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度與延性

（1）剛度：由于剛性結(jié)構(gòu)的破壞程度和彈性變形情況，與設(shè)計(jì)參數(shù)具有密切關(guān)聯(lián)，因此在早期設(shè)計(jì)中需要對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行全面分析，確保剛度值得到合理控制，而且還要對(duì)典型樓層層間位移以及結(jié)構(gòu)周期的合理性進(jìn)行全面判斷。（2）強(qiáng)度：強(qiáng)度必須與整個(gè)設(shè)防目標(biāo)保持高度一致，只有強(qiáng)度合適才能夠確保在強(qiáng)地震作用下避免出現(xiàn)破壞，或者結(jié)構(gòu)變形超出非線性變形的問題。（3）延性：結(jié)構(gòu)材料屈服能夠有效避免結(jié)構(gòu)破壞，增加承受能力。在遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的彈性、變形。為減少結(jié)構(gòu)破壞，避免出現(xiàn)倒塌等問題，要盡可能地加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)的控制。在地震作用下整個(gè)建筑物的性能會(huì)發(fā)生非常顯著的變化，應(yīng)當(dāng)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)施的形狀進(jìn)行充分考慮評(píng)價(jià)，既達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)性能要求，還確保建筑物的設(shè)計(jì)參數(shù)，符合安全性與穩(wěn)定性的要求。結(jié)構(gòu)屈服性需要與非結(jié)構(gòu)的破壞程度保持一致，要對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的倒塌變形進(jìn)行合理控制?？拐鹪O(shè)計(jì)屬于不斷演變相互妥協(xié)的方式，所以要根據(jù)建筑物的強(qiáng)度剛度沿線進(jìn)行統(tǒng)一處理。在高層建筑的底部設(shè)計(jì)，如果樓層的縱向構(gòu)件不能夠直接落地，則需要設(shè)置轉(zhuǎn)換層，對(duì)所有的轉(zhuǎn)換形式進(jìn)行合理分析，目前最常見的設(shè)計(jì)模式包括箱形厚板和轉(zhuǎn)換靈三種形式，其中厚板轉(zhuǎn)換具有非常好的整體性能，但自身的剛度具有明顯的突變效果，造成整體的抗震受力明顯下降，在實(shí)際設(shè)計(jì)中要針對(duì)鋼筋混凝土的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理控制，避免成本投入過高[4]。

2.彈塑性分析方法

2.1靜力彈塑性分析法

靜力彈塑性分析方法，目前在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生彈性形變，從實(shí)際計(jì)算模型中能夠發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)計(jì)算模型常通過建立荷載分布，將地震作用形成倒三角或者第一陣型的水平荷載模式。在整個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部形成高大上的水平荷載，從而確保構(gòu)件開裂屈服效果。如果不斷增加荷載需要進(jìn)行重新計(jì)算，直至所有的計(jì)算結(jié)果都達(dá)到預(yù)期的效果，增強(qiáng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗震性能。靜力彈塑性具有非常顯著的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，優(yōu)勢在于整個(gè)結(jié)構(gòu)非線性變形與承載力變形更符合實(shí)際，可以根據(jù)地震波的具體數(shù)據(jù)，直接輸入模型中。利用積分計(jì)算，判斷地面加速度的時(shí)間變化曲線，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形情況進(jìn)行全過程控制。缺點(diǎn)在于只能給出結(jié)構(gòu)在某種荷載作用下的性能，無法反映結(jié)構(gòu)在某一特定地震作用下的表現(xiàn)，以及由于地震的瞬時(shí)變化在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的剛度退化和內(nèi)力重分布等非線性動(dòng)力反應(yīng)；計(jì)算中選取不同的水平荷載分布形式，計(jì)算結(jié)果存在一定的差異，為最終結(jié)果的判斷帶來了不確定性。

2.2彈塑性時(shí)程分析方法

在高層建筑設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)用到彈塑性時(shí)程分析方法。根據(jù)輸入的震波過程，對(duì)地震作用所引起的變形損傷等問題進(jìn)行真實(shí)反映，由于該方法屬于塑性區(qū)的概念，相比較力學(xué)分析而言，整體的結(jié)構(gòu)更加的精準(zhǔn)可靠，但依然存在著運(yùn)算量比較大的問題。由于輸入的是地震波的整個(gè)過程，可以真實(shí)反映各個(gè)時(shí)刻地震作用引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括變形、應(yīng)力、損傷形態(tài)（開裂和破壞）等；該方法基于塑性區(qū)的概念，相比靜力分析中單一的塑性鉸判別法，特別是對(duì)于帶剪力墻的結(jié)構(gòu)，結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。但缺點(diǎn)是運(yùn)算量大，計(jì)算過程復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)人員要求較高。

3.彈塑性在高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

3.1計(jì)算模型以及假設(shè)條件

某工程為7層高的裙樓，包括辦公樓和兩個(gè)酒店，總體高度260m，其中地上66層，地下三層，層高3.9m，避難層以及底部4層高度為5m，抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.1g，地震分組為一組。項(xiàng)目采用鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)，外筒采用框筒，內(nèi)筒采用鋼筋混凝土剪力墻核心筒。

3.2彈塑性方法分析

運(yùn)用有限元計(jì)算軟件可以構(gòu)建三維有限元模型，確保工程項(xiàng)目的靜力彈塑性分析效果全面提高[5]。在分析時(shí)要針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震條件下發(fā)生的位移情況，判斷建筑物在罕遇地震下倒塌情況，通過計(jì)算該建筑物位移為1/1158，該建筑結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生倒塌。但是部分柱子的腳部位置和頂部位置存在塑性鉸，通過分析計(jì)算，得知在產(chǎn)生塑性鉸的地方混凝土和鋼筋仍可以正常使用狀態(tài)下工作，并未產(chǎn)生極限破壞，構(gòu)件不需要進(jìn)行配筋的加強(qiáng)處理。

3.3對(duì)彈塑性動(dòng)力時(shí)程的分析

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)，選擇一組人工波模擬加速度時(shí)程曲線并選擇兩組自然波進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算分析得出，該工程最大彈性層間位移角為1/166，小于抗震規(guī)范中規(guī)定位移角限制，因此該工程可被認(rèn)為是安全可靠的。經(jīng)過彈性動(dòng)力時(shí)程分析得到的塑性鉸分布區(qū)域比靜力彈塑性分析分布更廣，兩者包落取最大值，判定結(jié)構(gòu)安全合理。

3.4選擇適宜的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系

對(duì)高層建筑而言，水平荷載往往是結(jié)構(gòu)體系與構(gòu)件設(shè)計(jì)的控制因素，尤其處于高烈度地區(qū)的建筑，地震荷載對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起決定性作用[6]。高層建筑的水平荷載必須與結(jié)構(gòu)、體系和構(gòu)件設(shè)計(jì)控制因素保持一致。通過合理選擇抗側(cè)力體系，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足正常使用要求，提高強(qiáng)度的整體延性，充分發(fā)揮彈性材料的優(yōu)勢，保證施工進(jìn)程與施工合同保持一致。對(duì)于高層建筑，理想的抗震結(jié)構(gòu)體系首要的設(shè)計(jì)理念是具有多道防線，并承受豎向荷載的構(gòu)件不應(yīng)優(yōu)先于主要抗側(cè)力構(gòu)件破壞，其次還應(yīng)盡可能充分發(fā)揮各部件的作用，具體來講就是承擔(dān)附加彎矩和豎向力的構(gòu)件應(yīng)盡可能布置在建筑物的外圍，以提高抗彎效率，而主要承擔(dān)剪力的部件布置在靠近中間的核心筒位置，該工程采用了筒中筒結(jié)構(gòu)，有利于結(jié)構(gòu)在地震作用下抵抗水平荷載。在超高層建筑應(yīng)用中需要有效保證地震作用下的安全性和穩(wěn)定性，就必須積極針對(duì)建筑工程的彈塑性進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，從而有效抵御不同的地震類型。靜力彈塑性主要指盡力推覆分析的方法，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際特點(diǎn)以及建筑結(jié)構(gòu)的傾向進(jìn)行判斷。

4.結(jié)束語

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須采取合理恰當(dāng)?shù)拇胧┨岣呓ㄖY(jié)構(gòu)的整體抗震性能，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，彈性-塑性分析理論也越來越精確，結(jié)構(gòu)建模也越來越與實(shí)際情況吻合，高層建筑結(jié)構(gòu)的彈性-塑性分析方法也越來越完善，只有在實(shí)際工程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，理論結(jié)合實(shí)際，才能完成更高效高質(zhì)量的工程。

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作者：辛蕾 單位：中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司