高层建筑结构设计弹塑性分析应用

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【摘要】超高层建筑的安全性能是设计中的重点，而建筑结构的抗震性能是结构安全性能设计的难点，利用弹塑性分析对超高层建筑结构进行抗震性能设计已成为超高层设计的必然趋势，本文主要介绍弹塑性分析法在超高层建筑设计中的应用。

【关键词】弹塑性分析；高层建筑；结构设计

1.高层建筑结构的弹塑性性能主要相关因素

当地震发生时，如果高层建筑结构一致停留在弹性状态下，那么此时的建筑材料在符合胡克定律（固体材料受力后，材料中的应力应变呈线性关系）条件下的反应叫做弹性地震反应；当地震作用力增大，建筑结构进入弹塑性，此时的建筑材料不再符合胡克定律，建筑结构会产生弹塑性反应[1]。

1.1弹性及弹塑性的结构刚度和阻尼

弹性地震反应借助于刚度矩阵来完成相应计算，建立弹性地整力与结构体系位移之间的关系；在弹塑性阶段，地震力与结构位移之间不是简单的线性关系，只有在双线性恢复力模型中位移同时处在相同的直线段时，刚度矩阵才能满足常量，当位移不在同一直线上时，刚度矩阵发生改变，形成阻尼矩阵[2]。因阻尼矩阵由无数刚度矩阵共同组成，所以阻尼矩阵与刚度矩阵的变化趋势基本相同。

1.2弹塑性反应的特殊性

建筑结构在地震左右力下进入弹性反应后当地整力持续增大将进入弹塑性反应状态。反之，当地震力作用在弹性阶段后期，结构的屈服强度超过一定限度，这时由弹性地震反应所得结果与弹塑性地震阶段所得结果基本相同，这时结构的弹性反应与弹塑性反应可以看作等同效果。

1.3地震力与位移关系

在正常状态下，地震作用与弹性变形成线性关系，地震力越大弹性变形越大，理论上弹性变形无限制可以一直增长，但是常规建筑结构不可能无限变形下去，随着地整力不断增大，结构达到屈服程度，建筑结构进入弹塑性变形阶段，随着地震力的持续增大，弹塑性变形增长越来越慢，达到一定程度后不再增长，但是弹塑性变形能力的不再增长并不影响结构变形的持续。而由于建筑塑性变形速度没有地震力减小速度快，常会出现地震力减小后建筑物塑性变形能力加强的情况，故建筑结构弹性及弹塑性阶段并没有明显的区分界限[3]。

1.4结构的强度、刚度与延性

（1）刚度：由于刚性结构的破坏程度和弹性变形情况，与设计参数具有密切关联，因此在早期设计中需要对关键因素进行全面分析，确保刚度值得到合理控制，而且还要对典型楼层层间位移以及结构周期的合理性进行全面判断。（2）强度：强度必须与整个设防目标保持高度一致，只有强度合适才能够确保在强地震作用下避免出现破坏，或者结构变形超出非线性变形的问题。（3）延性：结构材料屈服能够有效避免结构破坏，增加承受能力。在遭遇强烈地震时，结构发生较大的弹性、变形。为减少结构破坏，避免出现倒塌等问题，要尽可能地加强对结构的控制。在地震作用下整个建筑物的性能会发生非常显著的变化，应当对整个结构、非结构和内部设施的形状进行充分考虑评价，既达到预期的目标性能要求，还确保建筑物的设计参数，符合安全性与稳定性的要求。结构屈服性需要与非结构的破坏程度保持一致，要对内部结构的倒塌变形进行合理控制。抗震设计属于不断演变相互妥协的方式，所以要根据建筑物的强度刚度沿线进行统一处理。在高层建筑的底部设计，如果楼层的纵向构件不能够直接落地，则需要设置转换层，对所有的转换形式进行合理分析，目前最常见的设计模式包括箱形厚板和转换灵三种形式，其中厚板转换具有非常好的整体性能，但自身的刚度具有明显的突变效果，造成整体的抗震受力明显下降，在实际设计中要针对钢筋混凝土的设计方案进行合理控制，避免成本投入过高[4]。

2.弹塑性分析方法

2.1静力弹塑性分析法

静力弹塑性分析方法，目前在罕遇地震作用下，结构会产生弹性形变，从实际计算模型中能够发现，在结构计算模型常通过建立荷载分布，将地震作用形成倒三角或者第一阵型的水平荷载模式。在整个结构的内部形成高大上的水平荷载，从而确保构件开裂屈服效果。如果不断增加荷载需要进行重新计算，直至所有的计算结果都达到预期的效果，增强整个结构的抗震性能。静力弹塑性具有非常显著的优势和缺点，优势在于整个结构非线性变形与承载力变形更符合实际，可以根据地震波的具体数据，直接输入模型中。利用积分计算，判断地面加速度的时间变化曲线，对结构内力和变形情况进行全过程控制。缺点在于只能给出结构在某种荷载作用下的性能，无法反映结构在某一特定地震作用下的表现，以及由于地震的瞬时变化在结构中产生的刚度退化和内力重分布等非线性动力反应；计算中选取不同的水平荷载分布形式，计算结果存在一定的差异，为最终结果的判断带来了不确定性。

2.2弹塑性时程分析方法

在高层建筑设计中经常会用到弹塑性时程分析方法。根据输入的震波过程，对地震作用所引起的变形损伤等问题进行真实反映，由于该方法属于塑性区的概念，相比较力学分析而言，整体的结构更加的精准可靠，但依然存在着运算量比较大的问题。由于输入的是地震波的整个过程，可以真实反映各个时刻地震作用引起的结构响应，包括变形、应力、损伤形态（开裂和破坏）等；该方法基于塑性区的概念，相比静力分析中单一的塑性铰判别法，特别是对于带剪力墙的结构，结果更为准确可靠。但缺点是运算量大，计算过程复杂，对设计人员要求较高。

3.弹塑性在高层建筑结构中的应用

3.1计算模型以及假设条件

某工程为7层高的裙楼，包括办公楼和两个酒店，总体高度260m，其中地上66层，地下三层，层高3.9m，避难层以及底部4层高度为5m，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.1g，地震分组为一组。项目采用钢筋混凝土筒中筒结构，外筒采用框筒，内筒采用钢筋混凝土剪力墙核心筒。

3.2弹塑性方法分析

运用有限元计算软件可以构建三维有限元模型，确保工程项目的静力弹塑性分析效果全面提高[5]。在分析时要针对建筑结构在罕遇地震条件下发生的位移情况，判断建筑物在罕遇地震下倒塌情况，通过计算该建筑物位移为1/1158，该建筑结构不会发生倒塌。但是部分柱子的脚部位置和顶部位置存在塑性铰，通过分析计算，得知在产生塑性铰的地方混凝土和钢筋仍可以正常使用状态下工作，并未产生极限破坏，构件不需要进行配筋的加强处理。

3.3对弹塑性动力时程的分析

在进行结构弹性动力时程分析时，选择一组人工波模拟加速度时程曲线并选择两组自然波进行计算，通过计算分析得出，该工程最大弹性层间位移角为1/166，小于抗震规范中规定位移角限制，因此该工程可被认为是安全可靠的。经过弹性动力时程分析得到的塑性铰分布区域比静力弹塑性分析分布更广，两者包落取最大值，判定结构安全合理。

3.4选择适宜的抗侧力结构体系

对高层建筑而言，水平荷载往往是结构体系与构件设计的控制因素，尤其处于高烈度地区的建筑，地震荷载对建筑的结构设计起决定性作用[6]。高层建筑的水平荷载必须与结构、体系和构件设计控制因素保持一致。通过合理选择抗侧力体系，确保整个结构满足正常使用要求，提高强度的整体延性，充分发挥弹性材料的优势，保证施工进程与施工合同保持一致。对于高层建筑，理想的抗震结构体系首要的设计理念是具有多道防线，并承受竖向荷载的构件不应优先于主要抗侧力构件破坏，其次还应尽可能充分发挥各部件的作用，具体来讲就是承担附加弯矩和竖向力的构件应尽可能布置在建筑物的外围，以提高抗弯效率，而主要承担剪力的部件布置在靠近中间的核心筒位置，该工程采用了筒中筒结构，有利于结构在地震作用下抵抗水平荷载。在超高层建筑应用中需要有效保证地震作用下的安全性和稳定性，就必须积极针对建筑工程的弹塑性进行准确判断，从而有效抵御不同的地震类型。静力弹塑性主要指尽力推覆分析的方法，根据建筑结构的实际特点以及建筑结构的倾向进行判断。

4.结束语

在高层建筑结构设计过程中，必须采取合理恰当的措施提高建筑结构的整体抗震性能，以保证结构设计的安全。随着计算机技术的不断发展，弹性-塑性分析理论也越来越精确，结构建模也越来越与实际情况吻合，高层建筑结构的弹性-塑性分析方法也越来越完善，只有在实际工程中不断总结经验，理论结合实际，才能完成更高效高质量的工程。

参考文献

[1]王梦甫，周锡元.高层建筑结构抗震弹塑性分析方法及抗震性能评估的研究[D].土木学报，2003（11）.

[2]吕坚锋.高烈度地区钢筋混凝土框架-核心筒超高层结构设计及抗震性能分析[J].广东土木与建筑，2018，25（08）：1-4.

[3]郭天祥.基于大震动力弹塑性分析的某超高层混合结构抗震设计[J].建筑结构，2020，50（16）：64-70.

[4]何智威，陈冠新.贵阳某超高层结构设计及抗震性能分析[J].广东土木与建筑，2018，25（07）：24-27.

[5]韩夏，陈志强，李剑群，冯中伟，陈林之.青岛浙商国际项目超高层建筑结构设计[J].建筑结构，2019，49（05）：65-70+99.

[6]张建华，谭光宇，张凤良，胡登先，李登，周清汉，邹超，彭雅颂.长沙CBD某超高层结构设计[J].建筑结构，2018，48（23）：49-54.

作者：辛蕾 单位：中铁第五勘察设计院集团有限公司