劉超

（河北 廊坊 102800）

這些年我國(guó)的“四個(gè)現(xiàn)代化”的總體目標(biāo)鞭策著國(guó)人不斷努力奮進(jìn)，越來(lái)越多的人想要在大城市中奮斗和扎根，這也就加快了城鎮(zhèn)化建設(shè)的進(jìn)程。建筑物的高度增加，對(duì)建筑行業(yè)的相關(guān)要求也更加嚴(yán)格。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。而防震能力也是在評(píng)估建筑群的安全性時(shí)所需要考慮的。

一、提高城市建筑物防震性能的必要性

由于現(xiàn)在愈來(lái)愈多的人來(lái)到大城市生活和工作，城市土地的面積有限等諸多原因，城市需要不斷地修建更多的超高層建筑來(lái)容納日益增加的人口?，F(xiàn)如今，我國(guó)的高層建筑規(guī)模，相較于其他國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展的階段，各大城市也涌現(xiàn)設(shè)計(jì)風(fēng)格各異的高層建筑。但是一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑物在追求獨(dú)特風(fēng)格和美觀(guān)的同時(shí)，在抗震需求方面可能并未達(dá)到國(guó)腳要求的安全范圍，這給人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全留下極大的隱患。同時(shí)，我們也常在新聞上看到一些豆腐渣工程和一些地區(qū)發(fā)生地震的報(bào)道，這給社會(huì)也帶來(lái)了一些不好的影響。因此，著力于研究如何去提高高層建筑的抗震能力，提高超高建筑物的安全性，是造福于人民和社會(huì)的大事，是應(yīng)當(dāng)受到建筑設(shè)計(jì)師和城市建設(shè)者的共同關(guān)注。所以提高城市超高層建筑的防震能力是城鎮(zhèn)化所必要的。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(mǎn)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。

二、彈塑性分析

（一）靜力彈塑性方法

彈性和塑性是材料的基本特性，彈塑性的分析在工程材料學(xué)、工程力學(xué)中都是重要的研究?jī)?nèi)容。靜力彈塑性分析法，又稱(chēng)為推覆法和靜力載荷增量法。物體在受到外界作用力的情況下，其自身的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定程度的變化，因此在特定條件下需要對(duì)材料進(jìn)行力的分析。在實(shí)際建筑物結(jié)構(gòu)變化的分析過(guò)程中，會(huì)加入一個(gè)變化的側(cè)向力來(lái)提高實(shí)驗(yàn)分析的精度。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)。當(dāng)這個(gè)外加側(cè)向力開(kāi)始變化時(shí)，建筑物的架構(gòu)首先會(huì)發(fā)生彈性變形，當(dāng)外界力對(duì)構(gòu)架的作用超過(guò)了構(gòu)架的屈服強(qiáng)度，構(gòu)架就會(huì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形，最后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的位移，甚至是斷裂。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。因此，確定在這個(gè)過(guò)程中的最大的彈塑力，對(duì)建筑物是否達(dá)到規(guī)定的抗震標(biāo)準(zhǔn)有著極其重要的參考意義。這種全新的方法為建筑設(shè)計(jì)師們提供新的參考，為行業(yè)的發(fā)展提供了保障。

（二）材料本構(gòu)關(guān)系和塑性鉸特點(diǎn)

由工程力學(xué)的相關(guān)內(nèi)容可知，在進(jìn)行靜力彈塑性分析時(shí)，常用的方法都是建立彎矩與轉(zhuǎn)角或曲率之間的關(guān)系來(lái)確定構(gòu)件材料的靜力關(guān)系。材料的本構(gòu)關(guān)系主要是由構(gòu)件的橫截面構(gòu)成。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)趨于平衡狀態(tài)，此時(shí)屈服位移會(huì)不斷增加。在此關(guān)系中，地震對(duì)建筑物構(gòu)件的力影響會(huì)造成實(shí)際結(jié)構(gòu)的變化。從這方面來(lái)看，可大致分為以下四類(lèi)，構(gòu)件可立即恢復(fù)、出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的損壞、威脅生命安全和徹底的結(jié)構(gòu)破壞。塑性鉸特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是損壞控制；二是生命安全；三是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；四是恢復(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)。

（三）水平力的分布模式

在分析側(cè)向載荷的分布形式的過(guò)程中，從力的結(jié)構(gòu)變化方面來(lái)看，它可以得出在不同震動(dòng)條件下，不同結(jié)構(gòu)層的慣性力分布形式不同，也可以體現(xiàn)出實(shí)際破壞的大小。就目前的研究結(jié)果而言，側(cè)向力的分布模式可分為固定模式和實(shí)時(shí)模式這兩類(lèi)。就固定模式而言，在實(shí)際中它又可以拓展為以下三個(gè)小分支：SRSS分布模式、均勻分布模式、倒三角分布模式。SRSS 分布形式主要是能直接顯示出慣性力，分析的過(guò)程十分的簡(jiǎn)便;均勻分布主要是能夠得到重力與實(shí)時(shí)側(cè)向載荷之間的關(guān)系，進(jìn)而再得出慣性力的分布;倒三角分布主要是以構(gòu)件的結(jié)構(gòu)構(gòu)型為基礎(chǔ)，進(jìn)而再得到慣性力的分布[2]。在實(shí)際的分析中，由于只應(yīng)用一種模式無(wú)法反映受力與形變之間的真實(shí)關(guān)系，所以在實(shí)際應(yīng)用中一般會(huì)采用至少兩種模式進(jìn)行綜合的分析。

第二種實(shí)時(shí)模式，又稱(chēng)為非固定模式。與固定模式相比它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)。在這種模式下的求取總水平力和水平力分布分析都是采用周期性的研究。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)。它是在逐漸增加建筑物的相應(yīng)構(gòu)件上的側(cè)向水平力的過(guò)程中，觀(guān)察構(gòu)件在塑性變形的全過(guò)程和最終構(gòu)件的破壞程度，進(jìn)而通過(guò)一系列的計(jì)算得出建筑物應(yīng)對(duì)地震破壞的能力大小。

三、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

（一）對(duì)假設(shè)條件和計(jì)算模型進(jìn)行分析

在整個(gè)建筑物的結(jié)構(gòu)中，只有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠擁有抗震的作用?，F(xiàn)在我們以某建筑為例，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)程中和施工時(shí)規(guī)定的抗震烈度是7 度，在對(duì)其抗震能力檢驗(yàn)和分析時(shí)，地震分組為一組，其他基礎(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)，不但可以達(dá)到規(guī)定得抗震能力，而且得到了較好的經(jīng)濟(jì)效益。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)國(guó)標(biāo)對(duì)建筑行業(yè)相關(guān)技術(shù)做出的要求可知，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，其他建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為剪力墻結(jié)構(gòu)。超高層建筑的受力構(gòu)件主要包括梁柱和剪力墻，在剪力墻結(jié)構(gòu)中，梁柱是重要的組成構(gòu)件，主要是應(yīng)用牢間桿單元對(duì)受力情況進(jìn)行模擬，但是實(shí)際的應(yīng)用的情況往往和模擬的情況是不同的。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(guān)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。

（二）通過(guò)模型分析靜力彈塑性的方法

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(xiàn)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(xiàn)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，當(dāng)發(fā)生地震烈度為七度的地震時(shí)，建筑的構(gòu)件間的位移是1164mm，該數(shù)據(jù)在安全范圍之內(nèi)，整個(gè)建筑物只有極小可能會(huì)坍塌。然而經(jīng)過(guò)模型分析后，發(fā)現(xiàn)由于異形柱的原因，建筑物的頂部和底部的某些柱子上出現(xiàn)了塑性鉸。由此也可以知道，在模型結(jié)構(gòu)的分析和計(jì)算中，舍棄型鋼，一些相應(yīng)位置沒(méi)有按照相應(yīng)鋼筋配比的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，同樣會(huì)造成上述問(wèn)題的出現(xiàn)。這表明在建筑內(nèi)設(shè)置的鋼筋，可以起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。

（三）對(duì)彈塑性的動(dòng)力時(shí)程進(jìn)行分析

通過(guò)上述在對(duì)建筑模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的過(guò)程中，對(duì)彈塑性及其動(dòng)力時(shí)程的相應(yīng)的受力進(jìn)行對(duì)比和分析后，能夠直觀(guān)了解到，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)。同時(shí)通過(guò)一些數(shù)據(jù)的分析，可以初步的判斷出其結(jié)構(gòu)是具有一定的安全系數(shù)和較好的防震效果。與此同時(shí)，這一現(xiàn)象普遍存在于模型分析出的結(jié)果當(dāng)中，大體上是可以認(rèn)為這是高振型模型自身帶有的，并且還沒(méi)有融入彈塑性分析方法。

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(mǎn)足使用要求。