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(jì)過(guò)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(jì)中的滲透討論展開(kāi)討論，為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)

引言：

彈塑性分析理念通過(guò)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(dòng)力時(shí)程分析法。在應(yīng)用上述彈塑性方法時(shí)，與高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相互融合，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)受到靜力和動(dòng)力作用時(shí)產(chǎn)生的狀態(tài)，分別進(jìn)行研究，通過(guò)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(gè)方面：首先，高層建筑規(guī)模較大，在建筑內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)較多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，原有的建筑抗震等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)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(jí)基礎(chǔ)上，對(duì)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(kāi)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(diǎn)

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(shí)，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(shí)，屈服位移不斷增加，并且增加至最大值后，屈服力會(huì)區(qū)趨于平衡狀態(tài)，此時(shí)屈服位移會(huì)不斷增加。

塑性鉸特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(diǎn)，在應(yīng)用彈塑性方法研究高層建筑的彈塑性性能時(shí)，可以掌握高層建筑在不同地震等級(jí)下的狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)對(duì)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(shí)時(shí)模式

實(shí)時(shí)模式具有理想型水平力分布形式特點(diǎn)，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(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)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(shí)，根據(jù)水平力的實(shí)際的應(yīng)力狀態(tài)，最終確定建筑出現(xiàn)損壞的臨界點(diǎn)。

3.??? 彈塑性方法在超高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

3.1? 對(duì)假設(shè)條件和計(jì)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(gè)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(jì)過(guò)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(jí)設(shè)定為11級(jí)，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(jì)，可以有效控制工程的建設(shè)成本，并且在高層建筑施工過(guò)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(shí)，會(huì)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(guó)高層建筑建設(shè)要求，如果主體結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為B級(jí)，應(yīng)將筒中筒的高度控制在230米以下。在高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)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(shí)，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(duì)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(shí)，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(shí)，不同的抗震防裂度，會(huì)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(shí)，設(shè)定三種類(lèi)型的高層建筑結(jié)構(gòu)模型，將場(chǎng)地類(lèi)別均劃分成II類(lèi)，序號(hào)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(diǎn)坐標(biāo)為0.044，層間位移角為1/329。序號(hào)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(diǎn)坐標(biāo)為0.0，71，層間位移角為1/164。序號(hào)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(shí)，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(guò)程中，多數(shù)結(jié)構(gòu)內(nèi)會(huì)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(huì)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(wú)需對(duì)建筑結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)。

3.3對(duì)彈塑性的動(dòng)力時(shí)程進(jìn)行分析

通過(guò)上述靜力彈塑性分析結(jié)果可知，在建筑的每個(gè)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(huì)不斷增加。但是在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)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(guò)對(duì)彈力塑性進(jìn)行分析，主要分析彈塑性變化和動(dòng)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(dòng)力分析方法，會(huì)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(dòng)力時(shí)程分析過(guò)程中，向建筑模型施加人工波，通過(guò)人工波模擬地震產(chǎn)生的振動(dòng)。在彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)，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(dòng)力與靜力彈塑性進(jìn)行對(duì)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(dòng)力時(shí)程過(guò)程中，彈塑性動(dòng)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(duì)高層建筑產(chǎn)生的影響，使高層建筑設(shè)計(jì)更加全面。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，重點(diǎn)關(guān)注地震烈度對(duì)高層建筑產(chǎn)生的影響。采用彈塑性分析理念，通過(guò)靜力彈塑性分析和彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，可以全面掌握建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。通過(guò)不同角度進(jìn)行分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，針對(duì)問(wèn)題實(shí)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]?? 黃慧隆.某復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)研究[D].華南理工大學(xué)2014.

[2]?? 游冰.彈塑性分析在超限高層混合結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].西安建筑科技大學(xué)2013.

[3]?? 程曉艷.彈塑性分析在超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].華南理工大學(xué)2011.