谢杰文
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摘要：当今建筑楼层越来越高，评定且保障超高层建筑的安全性、可靠性，是相关结构抗震工程工作人员必须研究和探讨的一个重要问题。文章将对弹塑性分析法进行分析，说明弹塑性分析在超高层结构设计当中的运用情况。
关键词：弹塑性分析；超高层；结构设计
时代的车轮已经将我们载入了一个“高层”时代。无论在城市还是在乡村，高层建筑屡见不鲜。这就给我们的建筑设计带来了极富挑战性的科技考验。特别是那些超限的复杂高层建筑，更需要对它的结构进行弹塑性分析和计算来验证“抗震性能”。在建筑结构与高度上，我国的一些超高层建筑已经超过了国家相关的规程，若对超高层建筑的抗震设防方面不加以分析与探究，提高建筑物的抗震性能，那么将严重危及到建筑结构的抗震可靠性、安全性。
1、弹塑性分析方法概述
弹塑性分析方法包括：静力弹塑性分析法、弹塑性动力时程分析法。首先，静力弹塑性分析法一般指静力推覆分析方法。该分析方法根据结构实际情况，施加给建筑结构侧向力，且逐渐将该力的大小加大，使得结构经历一系列的过程，比如屈服、结构控制位移、裂开、弹性等，以便结构实现预期目标位移，或者成为机构，达到掌握建筑结构在地震的影响下的各种状况，如将发生的破坏机制、薄弱部位、变形与内力特性、塑性绞发生的次序、部位，以更好地判断建筑结构能否承受地震的作用。其次，20 世纪 60 年代逐渐形成了弹塑性动力时程分析法。该方法主要研究的是超高层建筑的工程抗震以及抗震分析。到 20 世纪 80 年代，该方法仍然是大部分的国家在抗震设计规范分析方面所使用的方法。时程分析法属于动力分析方法，是其中的一种形式。该分析法主要求解结构物的运动微分方程，利用时程分析可以掌握到各个时间点各个质点的加速度动力反应、移动速度和位移等，以计算出结构内力、变形的时程变化情况。因为存在较大的输入输出的数据量，且较复杂，导致了在一段时间内时程分析法无法开展。随着快速发展的计算机技术，时程分析方法取得了发展空间。
2. 弹塑性方法在超高层建筑结构设计中应用分析
主要根据某个建筑为例，该建筑是一个七层高的裙楼，并且包含一个办公楼和两个酒店，高度主要为 260 和 100 米。楼的主结构中，地上为 66 层，地下则为 3 层，每一层标高主要为 3.9 米，然而避难层以及底部的四层高度则为 5 米。该建筑物的抗侧力体系结构在一定程度上是钢筋混凝土。
2.1 计算模型以及假设条件分析
该工程在对抗震设防烈度的过程中，其防烈度为七度，基本地震加速度进一步的设计为 0.1g，主要为 II 级场地，地震分组在设计的过程中是第 1 组，这样做的目的不仅实现工程的经济性，同时还能在一定程度上达到技术的可操作性。该工程主要应用钢筋混凝土筒中筒结构，对于外筒来说，使用的是框筒，内筒是钢筋混凝土剪力墙的核心筒。相关的规范当中支出：B 级高度钢筋混凝土主筒中筒最高为 230 米，通常情况下，建筑支撑剪力墙以及梁柱等主要是超高层建筑最为基础受力的一些构件。在这之中，梁柱是属于一种维一的构件，通过对空间杆单元进行利用能够对受力的情况作出模拟，但是根据受力情况存在着不同，能将其分成为三种不同方式，一是梁段进行铰接；二是两端固定；三是一端进行铰接另外一端固定。要是梁柱之间存在较大基面，必须对剪切变形情况作出思考。在超高层建筑中，剪力墙主要是一种较为重要的抗侧力构件，如果在有限元理论允许情况下需要对其受力情况作出模拟，可以采取壳元方式。
2.2 静力弹塑性方法分析
表1 静力弹塑性分析方法结果
在应用非线性有限元计算软件进行分析过程中，通过构建出三维有限元模型，进而对工程做好静力弹塑性分析。弹塑性分析见表1.在进行分析研究后可以得出，建筑结构在七度罕遇地震影响下，空间位移则为 1164，然而相关规范内的弹塑性层位移角限制较小。因此可以知道该机构在遇到七度地震的过程中，不会存在倒塌问题。一些柱子在脚步位置以及顶部位置存在塑性绞，对于这种情况的出现主要因为与角柱是异形柱之间存在一定关系，因此在对其模型进行分析计算的过程中，并没有将型钢加入到其中，与此同时也没有对混凝土柱的配筋做出相应调试，尤其是针对上部存在塑性绞的地方。
2.3 分析于弹塑性的动力时程
针对于一些超高层的建筑结构来说，在进行结构弹塑性动力时程分析研究的过程中，可以选择一组人工波（该人工模拟加速度时程曲线）以及选择两组实际相对来说比较强的地震记录，对于原来最大加速度主要为 254.8gal、207.8gal 和 67.2gal，然而所存在的最大间层位移角度为1690、1704 和 1966，但是在相关规范做出调整后，所存在的最大加速度全部为 220gal。通过上述数据分析研究后可以得出，间层弹塑性位移以及相关规范当中所规定出来的角限值很小，因此可以得出该工程结构相对较为安全以及可靠。通过对弹力塑形以及弹塑性动力时程分析这种结构进行分析和比较，可以进一步发现，在该工程当中所存在的塑性绞分布区域基本上一致，然而经过弹塑性动力时程分析得到的塑形饺分布区域，在一定程度上比静力弹塑性分析更加广泛，对于这种状况的存在，可能和静力弹塑性分析方法没有把高振型自身所发挥的作用纳入思考范围内，这就导致实际地震产生的影响和加载模式间存在一定差距。
3、弹塑性动力的时程分析注意要点
3.1简化模型
对弹塑性的分析，通常使用通用的有限元程序，需要将结构划分为较小的网格、单元，同时需要考虑钢筋的影响，相对于弹性模型来说，结构的规模会增大几倍，需要简化结构。通常情况下，需要遵循的原则为将次要构件的荷载、自重转移到与其相连的主体结构上面，具体来说是：去掉次要承载构件，保留主要承载构件，除了删掉次要承载构件，还需要对所删构件各种荷载工况、构件的重量进行保留。
3.2考虑阻尼比
通常情况下，材料的塑性变形在地震的弹塑性动力时程的分析中所消耗能量的作用比事先输入的初始阻尼比影响要大很多，因此，可以不设置初始阻尼。对于结构在罕遇地震下塑性程度较小的情况，如刚度较大的大跨度屋盖，此时，不可以忽略初始的阻尼的影响，必须考虑初始阻尼。通常，比例阻尼即可满足工程的需要，但是由于阻尼的设置会在弹塑性动力的时程分析过程中收敛，易造成障碍，或者在显式动力的分析对最小时间步长产生影响，所以如何设置阻尼仍为亟待研究的问题。
3.3选择地震波
分析结果受所选择的地震波的影响较大，不同的地震波会造成不同的响应。一般情况下，在对结构进行地震时程的分析中，会选择两条天然波、一条人工波。所选取的地震波要满足持续时间、有效峰值、频谱特性三点要求，即地震三要素。此外，经过转化调整，所选取的地震波的弹性反应谱要尽量和规范设计的一致。
4结语
超限高层结构建筑工程中，采取弹塑性动力时程分析办法与静力弹塑性分析办法，对其在地震作用的状态进行分析与判断，是极为重要且不可或缺的。通过弹塑性分析，能够发现结构体系中所隐藏的薄弱部位，对结构破坏的次序加以推断，对高层结构具有极为重大且深远的现实意义。
参考文献：
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论文作者:谢杰文
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/30
标签：塑性论文; 结构论文; 静力论文; 阻尼论文; 动力论文; 方法论文; 构件论文; 《防护工程》2018年第8期论文;