摘要：為了提高超高層建筑工程的抗震性、安全性與穩(wěn)定性，在進(jìn)行超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，要對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)工作引起重視。隨著超高層建筑高度的不斷增加以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的不斷提高，彈塑性分析逐漸受到了設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注。本文首先對(duì)彈塑性分析的基本概念與方法進(jìn)行探討，結(jié)合工程案例進(jìn)一步研究超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中彈塑性分析的具體應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：超高層；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；彈塑性分析
1引言
隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的不斷加快，建筑工程的體量與高度逐步提升，在進(jìn)行一些超高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)工作時(shí)，現(xiàn)有的規(guī)范已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)的要求。因而，設(shè)計(jì)工作中要注重彈塑性分析的應(yīng)用，針對(duì)不同的超高層建筑建立相應(yīng)的分析與計(jì)算模型，提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震效果，確保建筑結(jié)構(gòu)能夠滿足抗震性方面的要求。
2概述
2.1彈塑性分析的基本概念
對(duì)于彈塑性分析方法而言，其主要是在罕遇地震作用條件下，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性變形分析的一種簡化方法，而彈塑性分析方法的本質(zhì)就是靜力方法。從理論層面上來說，應(yīng)用這一方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力響應(yīng)的預(yù)測依然存在著一定的缺陷，但是經(jīng)過大量的研究與工程實(shí)踐表明，在合理的適用范圍之內(nèi)，這一方法可以對(duì)結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)特征進(jìn)行準(zhǔn)確的反映，這就表明該方法有著一定的可取性。此外，通過進(jìn)行彈塑性分析，還能對(duì)罕遇地震條件下建筑結(jié)構(gòu)的最大層間位移角進(jìn)行計(jì)算，并且可以得到不同構(gòu)件的彈塑性發(fā)展過程，同時(shí)能夠獲得結(jié)構(gòu)的薄弱層以及薄弱構(gòu)件，這對(duì)于超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著極大的幫助�，F(xiàn)階段，應(yīng)用較廣泛的方法是美國FEMA-273推薦的目標(biāo)位移法，該方法具體應(yīng)用時(shí)要對(duì)結(jié)構(gòu)的推覆分析。隨著設(shè)計(jì)理論的不斷完善，彈性分析方法也在不斷成熟。
2.2靜力彈塑性分析的特點(diǎn)
一方面，分析方法具有一定的復(fù)雜性。在應(yīng)用彈塑性分析方法時(shí)，需要建立相應(yīng)的空間有限元模型，進(jìn)而可以對(duì)罕遇地震條件下的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的變形分析。這一過程中，由于地震作用有著較強(qiáng)的復(fù)雜性，因而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)性能表述以及計(jì)算方法的復(fù)雜度也會(huì)隨之提高。對(duì)于地震作用的復(fù)雜性而言，主要體現(xiàn)在地震作用的隨機(jī)性，即使峰值加速度相同，其波形也存在著較大的差異，這就造成了結(jié)構(gòu)的受力狀況在受到地震作用后出現(xiàn)較大的差異。在應(yīng)用彈塑性分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，并且誤差的大小和高階振型效應(yīng)的大小有著直接的關(guān)系。同時(shí)，復(fù)雜性還體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)自身彈塑性性能的描述方面：①在進(jìn)行材料本構(gòu)關(guān)系的描述過程中，要比線彈性階段的描述過程復(fù)雜。這一過程中不僅要對(duì)所給材料的初始彈性狀態(tài)的物理特性進(jìn)行相應(yīng)的描述，同時(shí)還要對(duì)所給材料的滯回性能進(jìn)行描述。②有限單元模型具有一定的復(fù)雜性。在進(jìn)行有限元模型的建立時(shí)，要考慮到結(jié)構(gòu)彈塑性的性質(zhì)等。③計(jì)算方法上具有一定的復(fù)雜性。比如計(jì)算工作中要對(duì)非線性方程組進(jìn)行計(jì)算與求解，這一過程相對(duì)麻煩，同時(shí)計(jì)算工作中還要對(duì)線性方程組進(jìn)行求解。另一方面，彈塑性分析要考慮到材料本構(gòu)關(guān)系，并且要對(duì)塑性鉸特性進(jìn)行研究。在應(yīng)用彈塑性分析方法時(shí)，材料關(guān)系可以使用彎矩轉(zhuǎn)角關(guān)系或者是構(gòu)件截面所具有的彎矩-曲率關(guān)系進(jìn)行表示，不同種類塑性鉸的本構(gòu)模型。
3彈塑性分析方法分析
3.1靜力彈塑性分析方法
所謂的靜力彈塑性分析法，一般也被稱為靜力推覆分析方法。在應(yīng)用這一分析方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，要對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況進(jìn)行考慮。通過對(duì)不同的建筑結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)的側(cè)向力，同時(shí)提高該力的數(shù)值，能夠使建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)歷不同的受力階段，比如可以使結(jié)構(gòu)經(jīng)歷彈性階段、開裂以及屈服階段、結(jié)構(gòu)控制位移等幾個(gè)不同的階段。這樣一來，建筑結(jié)構(gòu)就可發(fā)展成為機(jī)構(gòu)或者能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)位移。需要注意的是，這一過程中所施加的側(cè)向力主要受到地震水平慣性力的影響。通過進(jìn)行靜力彈塑性分析，可以對(duì)地震作用下的建筑結(jié)構(gòu)受力與變化狀況進(jìn)行全面的了解，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)變形狀況、結(jié)構(gòu)內(nèi)力特性以及破壞機(jī)理、結(jié)構(gòu)的薄弱位置進(jìn)行判斷，同時(shí)可以了解到塑性鉸的發(fā)生次序和部位，進(jìn)而能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)所能承受的地震荷載狀況進(jìn)行相應(yīng)的判斷。
3.2彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析法
對(duì)于這一分析方法而言，主要是在20世紀(jì)60年代形成的。該方法現(xiàn)階段主要應(yīng)用于超高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震分析工作，有一些國家已經(jīng)將這一分析方法納入到抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，并且主要用于超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析。時(shí)程分析法本質(zhì)上屬于動(dòng)力分析方法的一種類型，在具體計(jì)算工作中需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)列出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)微分方程，并借助于積分等工具進(jìn)行求解。在應(yīng)用時(shí)程分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，要對(duì)不同質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間變化的位移狀況、移動(dòng)速度狀況做出分析，并且要對(duì)變形時(shí)程以及內(nèi)力時(shí)程的變化情況進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。一般來說，時(shí)程分析法應(yīng)用時(shí)需要輸入、輸出較大的數(shù)據(jù)量，并且計(jì)算過程極其復(fù)雜。因而，該方法的應(yīng)用有著一定的阻礙，但是隨著近幾年來計(jì)算機(jī)技術(shù)以及配套軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，該方法獲得了快速的發(fā)展與廣泛的應(yīng)用。
4案例分析
4.1工程概況
該工程為某世界貿(mào)易中心建筑，建筑的下部有七層裙樓，主體建筑包括兩棟酒店建筑以及一棟辦公樓，酒店的高度為100m，辦公樓的高度為260m。該建筑的主體結(jié)構(gòu)分為地上與地下兩部分，其中地上66層、地下3層。建筑的標(biāo)準(zhǔn)樓層高度是3.9m，同時(shí)還包含了避難層以及底部四層建筑，高度是5m。在進(jìn)行該建筑的抗側(cè)力體系結(jié)構(gòu)選取時(shí)，應(yīng)用的是鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)。
4.2計(jì)算模型一級(jí)假設(shè)條件
在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，主要計(jì)算參數(shù)如下：①建筑的抗震設(shè)防烈度是七度，基本地震加速度選為0.1g。②該建筑屬于Ⅱ級(jí)場地，并且在進(jìn)行設(shè)計(jì)地震分組時(shí)屬于第1組。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，為了滿足技術(shù)要求以及工程的經(jīng)濟(jì)性要求，設(shè)計(jì)人員應(yīng)用了鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)。其中，建筑的外筒結(jié)構(gòu)應(yīng)用的是框筒，內(nèi)筒結(jié)構(gòu)應(yīng)用的是鋼筋混凝土剪力墻核心筒結(jié)構(gòu)。在查閱了設(shè)計(jì)規(guī)范之后，發(fā)現(xiàn)B級(jí)高度的鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)的最大高度為230m。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將梁柱以及支撐剪力墻、樓板等構(gòu)造作為了該超高層建筑的主要受力構(gòu)件。對(duì)于梁柱構(gòu)件而言，可以看作是一維構(gòu)件，計(jì)算模擬工作中要對(duì)受力情況進(jìn)行模擬。同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的受力情況狀況相對(duì)復(fù)雜，連接方式可以分為三種類型：兩端鉸接、兩端固定以及一端鉸接、一端固定三種不同的連接方式。設(shè)計(jì)過程中，如果梁柱截面相對(duì)較大，那么可以要對(duì)剪切變形進(jìn)行考慮。在進(jìn)行超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，剪力墻是主要的抗側(cè)力構(gòu)件。通過應(yīng)用有限元理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的模擬。
4.3靜力彈塑性分析
在對(duì)該建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，主要應(yīng)用了非線性有限元計(jì)算與分析軟件，并且這一過程中根據(jù)建筑實(shí)際狀況構(gòu)建了三維的有限元模型。經(jīng)過分析之后，主要得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：首先，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)受到7度罕遇地震作用的條件下，結(jié)構(gòu)的層間位移等到了1/164。這一數(shù)值相對(duì)于規(guī)范規(guī)定的位移角限值（1/120）小。因而，該建筑結(jié)構(gòu)在受到7度地震作用時(shí)，不會(huì)發(fā)生倒塌的問題。其次，通過進(jìn)行推覆分析工作后，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的部分柱子在腳部位置以及頂部位置出現(xiàn)了相應(yīng)的塑性絞，并且這一問題和角柱為異形柱存在著密切的關(guān)系。另外，在應(yīng)用模型進(jìn)行計(jì)算工作時(shí)，并沒有加入型鋼，對(duì)于混凝土柱的配筋狀況也沒有進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。
4.4彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析
具體分析工作中，設(shè)計(jì)人員主要選取了一組人工波以及兩組實(shí)際強(qiáng)震記錄進(jìn)行分析，人工波主要是通過人工的方式進(jìn)行加速度時(shí)程曲線的模擬。從最終的數(shù)據(jù)可以看出，模擬過程中原始最大加速度達(dá)到了54.8gal以及207.8gal、67.2gal。此外，在結(jié)構(gòu)的最大層間位移角方面，數(shù)據(jù)分別是1/690和1/704、1/966。通過查閱相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，得到了調(diào)整后的最大加速度是220gal。因而，能夠從數(shù)據(jù)對(duì)比上得到以下結(jié)論：一方面，相比于規(guī)范中位移角限值的數(shù)據(jù)規(guī)定，該結(jié)構(gòu)的層間彈塑性位移相對(duì)較小，因而結(jié)構(gòu)有著較強(qiáng)的安全性與可靠度。另一方面，通過對(duì)兩種不同的分析方法進(jìn)行對(duì)比可以得出，這一結(jié)構(gòu)有著相對(duì)一致的塑性絞分布區(qū)域。但是，通過應(yīng)用彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析方法，得出的區(qū)域更加廣泛，這一差異主要與高振型作用有關(guān)。
5結(jié)束語
隨著建筑高度的不斷提升，為了改善超高層建筑的抗震性能，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)要注重彈塑性分析方法的應(yīng)用。通過彈塑性分析方法的應(yīng)用，可以提高超高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的質(zhì)量，因而這一分析方法要得到工程人員的重視。此外，在進(jìn)行超限高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，還要注重結(jié)構(gòu)彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析以及結(jié)構(gòu)靜力彈性塑性分析方法的結(jié)合使用，對(duì)于地震作用下的結(jié)構(gòu)受力狀況做出全面分析與研究，不斷提升超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作質(zhì)量，促進(jìn)我國建筑行業(yè)的健康發(fā)展。
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