弹塑性分析在超高层建筑结构设计中的应用研究

摘要：现阶段，在城市建设过程中，超高层建筑得到了广泛关注，采取何种方式确保超高层建筑结构设计的安全性、科学性和合理性是目前探究的一项要点。在本篇文章中，主要从超高层建筑弹塑性方面入手，论述了超高层建筑的结构设计特征以及相关点，同时探究了超高层建筑结构设计需要注意的几项问题。

关键词：弹塑性分析；超高层建筑；结构设计；应用要点

引言：建筑领域在我国社会经济发展过程中占据着重要的地位。最近一段时间，我国经济发展推动了建筑行业的进一步运行。高楼大厦得到了大规模的建设，而建筑物的稳定性和安全性是需要探究的一项要点。其中，在建筑行业中对于材料弹塑性分析是非常重要的。文章论述了弹塑性分析从超高层建筑结构设计中的应用情况。

1、弹塑性方式分析和探究

和常规弹性分析相比，弹塑性分析主要有三个不同的方面：计算模型、材料本构和计算方式。弹塑性分析采用的是钢筋+混凝土的组合模型，在计算中计入了钢筋和混凝土材料的共同作用。针对于弹塑性材料而言，自身应变的大小不仅和荷载有关，也和变形历史有关，不仅考虑到材料弹性模量，同时也考虑到了材料的屈损伤和破坏等特性。本文主要对于弹塑性计算方式进行了重点分析以及论述。

1.1静力弹塑性分析方法

该项方式是基于美国FEMA-273抗震评估方法和ATC-40报告，作为一种简化非线性分析方法，能够在整体层面反应结构的抗侧向力能力，评估结构关键的机构和单元，从而发现薄弱的地方，进一步为优化设计作为参考。

静力弹塑性分析法只适合以剪切变形为主、质量和刚度沿高度分布均匀的结构，和近似单质点体系结构。

1.2动力弹塑性分析方法

动力弹塑性分析方法，不同于弹性时程分析法，这种分析方法是把结构作为弹塑性振动体系来分析，根据地震波的数据来输入地面运动，再经过积分，求出地面加速度随时间变化的整个时段内的结构内力和变形变化全过程。

1.3弹塑性分析的使用要求

《建筑抗震设计规范》5.5.2条规定，对于特别不规则的结构、板柱－抗震墙、底部框架砖房以及高度不大于150m的高层钢结构、7度三、四类场地和8度乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构宜进行弹塑性变形验算。对于高度大于150m的钢结构、甲类建筑等结构应进行弹塑性变形验算。《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.13条明确论述了高层建筑结构以及十分复杂的高层建筑结构，适合采取弹塑性静力方式，也可以采取动力分析方式，借助这些方式对存在的弹塑变形程度有效检验，了解实际情况，获取准确数据。

2、弹塑性分析在超高层建筑结构设计中的作用体现

基于人们对于建筑高度和安全性提出的高要求，超高层建筑发展演变为了目前建筑领域中十分重要的一项趋势。不过因为结构十分复杂、高度较大等特征，因此增加了超高层建筑设计的难度。如果发生安全隐患以后，将会造成不良的后果。对此，在超高层建筑结构设计过程中，规范性的应用函数性分析是特别重要的，弹塑性分析是最近几年中在超高层建筑结构设计内应用十分普遍的一种分析方式，主要的目的是对建筑结构的受力状态变形和破坏过程有效确定，从而判断安全性能。

在弹塑性分析过程中，建筑结构是一项整体，综合性考虑到结构的非线性特征，在确保结构安全的基础上，对建筑材料的使用和结构布置方式加以优化和改进。其中，弹塑性分析从超高层建筑设计中的应用作用表现在以下几方面。第一，有利于对结构的受力状态加以确定。在超高层建筑结构设计过程中，强震作用是导致结构受到破坏的基本原因。通过弹塑性分析，能够明确在强震作用之下结构的基本受力状态。其中，包含了构件的变形程度、应力大小和荷载承载能力同时展开有关的优化，以此增强结构的抗震能力。另外一方面，也可以确保结构整体稳定性，减少材料的使用数量，提升施工效率和质量。第二，有利于对结构的破坏过程加以预测，弹塑性分析能够进一步预测结构在受力过程中受到破坏的情况，从而评估结构的破坏风险。在预测破坏过程中，按照结构的力学性能加以优化和设计，比如对梁柱的尺寸、数量和布置方式进行更改。第三，对结构材料的使用情况进行优化。在超高层建筑设计过程中，应当重点对建筑材料的使用和结构布置方式进行考虑。通过弹塑性分析，能够减少超高层建筑整体结构体系的重量和体积，从而减少成本输出，避免材料过度消耗，达到建筑高层化和建筑投资节省的目的。

整体上而言，从超高层建筑结构设计中对于弹塑性进行分析，既可以优化和改进建筑材料的使用和结构布局，同时也有利于促使建筑企业安全开展，在提升施工效率和质量的基础上将经济效益发挥到最大化。

3、强化城市建筑物防震性能的作用

当前阶段，我国高层建筑规模和其他国家相比较来看，已经迈入了高速发展的阶段，各项城市也呈现出了不同风格的高层建筑。不过针对于一些复杂结构的建筑物来讲，在追求独特性风格和美观的同时，抗震需求并不符合安全标准范围，受到该方面因素的影响，人们自身生命财产安全受到了严重的威胁，为后期埋下了巨大的隐患。而且在新闻中也普遍出现了一些豆腐渣工程和区域出现地震的报道，直接影响到了社会发展。所以采取何种方式强化高层建筑的抗震能力，确保超高建筑物的安全性是关注的要点。

4、在超高层建筑结构设计中对于弹塑性分析的要点论述

当前阶段，同一结构，对于不同的地震波，得到的结果会有很大的差别。依据《高规》5.5.1条第6款：进行动力弹塑性计算时，地面运动的加速度时程的选取、罕遇地震作用时的峰值加速度取值和计算结果的选用应符合下列规定：1、选择3组或者7组地震波，且实际地震的波数量不少于总量的2/3。2、地震波的持续时间较长，远远超出了结构自振周期。3、所选取的地震波在结构主要振型的周期点上差值不大于20%。

通过某项目实例，我们可以看到结构在不同地震波作用下的层间位移角有着较大的差别，该项差异性现象表现为多方面，比如结构位移程度，同时也体现在塑性铰出现的顺序及结构损伤所处的位置上等。设计中对于地震波的选取，首先我们要保证位移角满足规范要求，但我们也可以直观的看出位移角越大的模型对应的地震波，给结构带来的损伤就越大，这个时候，我们就应该在选取地震波的时候花费更多的精力，尽可能以波形差别程度极大地地震波为主，合理的改善相关结构，这样的话，即便结构受到更加不利的影响，我们也能做出更加安全的设计。当然，选取地震波也是一个权衡的过程，多选地震波说明了消耗的精力也是特别多的，同时由于结果更加保守因而结构设计可能面临“冗余”，因此，这就需要设计师和业主在设计的原则上共同制定一个适宜的准则。

5、结语：

综上我们可以知道，弹塑性分析在高层结构设计中是必不可少的一个环节，对于超高层建筑，作为弹性分析的补充，通过补充计算，我们可以明确结构在大震作用下的弹塑性位移角，满足“大震不倒”的性能目标。同时，在分析过程中，我们也能评估结构损伤位置及程度，尤其对于关键受力构件的研究，从而对特定位置进行加强处理。但我们也需要注意到，弹塑性时程分析法中，地震波的选取对计算结果有着一定的影响，因而选择地震波时在满足规范要求以外，我们可以尽量去选择波形相差较大的地震波来对结构进行激励，这样我们将得到更加完善的数据和结果。最后，作为对于弹性分析的复核和补充计算，弹塑性分析确保了结构在罕遇地震作用下结构的安全性和稳定性，为后期作业开展奠定坚实的基础。

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