弹塑性分析在超高层建筑结构设计中的应用.pdf

建筑工程与装修中国厨卫弹塑性分析在超高层建筑结构设计中的应用徐鹏（广东建筑艺术设计院有限公司安徽分公司，合肥2 3 0 0 0 0）摘要：超高层建筑与普通建筑工程存在明显区别，因此对其建筑结构展开设计时，面临的要求也更为严格。通过对弹塑性分析技术的合理应用，可以充分发挥模型假设的优势，真实模拟出应力作用下建筑结构框架与材料的动态情况，并据此对建筑结构是否稳定、是否可靠做出判定。文章介绍了弹塑性分析技术，结合具体工程应用实例，对该技术应用于超高层建筑结构设计中时所发挥的作用展开了探析，希望能够对同类结构设计工作提供参考。关键词：弹塑性分析技术；超高层；建筑结构；优化设计中图分类号：TU972Application of Elastic-plastic Analysis in the Structural Design of Super High-rise BuildingsXU Peng(Guangdong Architectural Art Design Institute Co.,Ltd.Anhui Branch,Hefei 230000,China)Abstract:There are obvious differences between super high-rise buildings and ordinary building projects,so the require-ments for the design of building structures are more stringent.The reasonable application of elastoplastic analysis technol-ogy can give full play to the advantages of model assumptions,and can truly simulate the dynamic situation of buildingstructure frame and materials under stress,and make a judgment on whether the building structure is stable and reliable.This paper introduces the elasto-plastic analysis technology,combined with specific engineering application examples,ana-lyzes the role of this technology in the structural design of super high-rise buildings,hoping to provide reference for similarstructural design work.Key words:elastic-plastic analysis technology;super high-rise;building structure;optimization design1引言为适应建筑行业当前的市场需求，以及解决土地资源紧缺与低中层建筑过于密集问题，建筑行业已经把超高层工程项目作为了主要的业务范畴。超高层建筑项目对建筑结构稳定性方面提出了较高要求，若无法保证其结构稳定性,则必然会直接影响其后期使用质量。而弹塑性分析技术，不仅可以适当优化施工技术与建筑材料,还能提供精确的稳定性检测技术，测定超高层结构稳定状态，优化建筑结构设计方案，使其更具可行性,并采取有效的地震灾害防治措施，提前做出相应的布置,以减小地震灾害给超高层建筑项目带来的影响。2概述2.1木相关概念弹塑性分析法是一种简化分析方法，是以发生罕遇地震为分析条件,对建筑结构中产生的弹塑性变形展开分析，作者简介：徐鹏（1 9 9 1 一），工程师，研究方向为建筑工程。其本质是一种静力方法。单就理论层面上而言，将这一方法应用于预测结构弹塑性动力响应，难免存在缺陷，但只要不超出适用范围,该方法还是能够准确地反映出结构非线性地震反应特征,存在着一定的可取性。而且,通过对建筑结构展开弹塑性分析,还能计算出处于罕遇地震条件下时，建筑结构中产生的层间位移角最大值,并且能得到各种构件具体的弹塑性发展的整个动态过程。另外，还可以明确结构中的薄弱层，这对超高层结构设计工作而言具有极大的意义。目前,最常用的弹塑性分析方法是目标位移法。该方法经过美国FEMA-273验证并得到其极力推荐，在具体应用该方法时,要对结构展开推覆分析。弹性分析方法会随着设计理论的日益完善，逐步发展得更加成熟。2.2基本特点弹塑性分析方法操作方面具有一定程度的复杂性。在采取弹塑性分析法针对空间结构展开分析时，需要提前建立一个相应的有限元模型进而对建筑结构处于罕遇地震条件下时发生的变形情况展开相应分析。在此期间，因地震作用存在着较强的复杂性,无论是对结构性能的表述,还是采用的计算方法，都会比较复杂。关于地震作用的复杂2024年1 期4 9中国厨卫建筑工程与装修性方面，其具体体现为随机性，就算是峰值相同、加速度相同,地震波形也会存在明显的差异。这样一来，高层建筑项目在受到地震作用后,其建筑结构的具体受力状况，必然会出现显著的差异。采取弹塑性分析方法针对结构状态展开分析时，也会产生不容忽视的误差，且误差跟高阶振型效应存在着密不可分的关系。另外，弹塑性分析方法的复杂性还可以从结构弹塑性能的具体描述中体现出来。在针对材料本构关系展开描述的过程中,与线弹性阶段的描述相比,明显更具复杂性。在此期间,不仅要对目标材料处于原始弹性状态时的物理特性作出相应的描述,还应对目标材料的滞回性能做出相应描述。有限元模型本身就具有一定的复杂性。在构建空间有限元模型时,应对结构中与弹塑性相关的性质加以考虑。计算方法、过程均体现出一定的复杂性。在计算工作中,不仅要计算线性方程组,还要对非线性方程组进行求解,而求解过程非常麻烦。展开弹塑性分析时,还需要考虑到材料本构关系,且需要对塑性铰特性展开相应研究。在具体采取弹塑性分析方法展开研究时，需要使用弯矩转角关系，也可以采用构件截面所呈现出的弯矩-曲率关系对材料关系加以表示。3弹塑性分析方法3.1静力弹塑性分析方法静力弹塑性分析法也叫做静力推覆分析法。在应用该方法对建筑结构进行分析设计时,要预先充分考虑结构的具体状况。各建筑结构一定要按其特点施加与之相对应的侧向力，并尽可能提高该侧向力的数值,可以让建筑结构在遭受到各种不同程度地震作用下，承受每一个阶段的地震作用。这样一来,建筑结构就足以形成机构,同时位移也可以控制在预期范围内。整个过程中,额外施加的侧向力大小,基本取决于地震水平惯性力。通过对建筑结构在静力作用下呈现出的弹塑性展开分析，能够对建筑结构在地震作用下的受力状态以及出现的变化状况，有一个较为全面的了解,可以掌握建筑结构的具体变形状况,结构自身的内力特性,还有破坏机理；并通过合理判断,确定结构中的薄弱位置，明确到塑性铰的出现次序，以及出现的具体部位，从而可以准确判断整个建筑项目自身结构所能承受的最严重的地震荷载状况。3.2弹塑性动力时程分析法弹塑性动力时程分析方法最初产生于2 0 世纪的6 0 年代。该方法发展至今，主要的应用领域基本是对超高层建筑项目的结构稳定性、抗震性展开相应分析，不少国家早就把这种弹塑性动力时程分析方法列入超高层建筑的结构抗震设计规范条款中。从本质上来看，时程分析法也是动力分析方法当中的一种,在实际计算过程中,要求结合建筑结构遇震后的受力状态,将相应的微分运动方程列出来,并利501 |中国厨卫用积分等计算工具对其准确求解。在对高层建筑采用弹塑性动力时程分析法展开结构设计时，要分析各质点的动态位移变化状况以及移动速度状况，且通过相应的计算，对变形时程和内力时程的变化情况加以确定。正常情况下,应用弹塑性动力时程分析法时，其输人、输出数据量较大,且计算过程很复杂，该方法的具体应用也因此遇到了不小的阻碍。不过，由于计算机技术与其配套软件技术近几年来得到了极大发展，弹塑性动力时程分析方法快速地发展起来,并获得了广泛的应用。4具体应用4.1工程的基本情况某超高层塔楼主要用于办公楼，坐落在抗震设防8 度区,其底层1 8 层全部布置为商业场所，塔楼地上部分共51层，建筑结构主体2 4 9.8 m高，其第9 层、第2 3 层、第3 6层分别布置了三个设备层（同时用作避难层）。塔楼平面在竖向上逐渐收拢，平面尺寸在底层上时是4 7.9 m见方，周边框架柱按9.6 m柱距设置，共1 6 根，框架柱保持约2 倾角；核心筒平面尺寸设计为2 0.1 m22.0m,居中布置,核心筒面积在底部标准层上的面积占比为1 9.6%。结构体系属于典型的框架-核心筒-伸臂桁架结构。底层上的筒体剪力墙结构中,厚度最大处为1 1 0 0 mm;框架柱用的是型钢混凝土柱,截面最大处设计为2 4 0 0 m1800 m,墙、柱用的是 C60等级的混凝土,4 0 层以上的混凝土用的是C50,型钢主梁用的是Q345B。4.2木构建模型通过ETABS9.7.4构建一个建筑结构模型用于展开整体弹性分析，由ETABS导人SAP2000，再把PER-FORM-3D结构模型导出来展开分析。在PERFORM-3D弹性模型中，应该借助于定义内嵌梁的方式，确保连梁跟剪力墙实现刚性连接，并通过对多种软件弹性模型对应的基本信息，包括周期、基底反力、振型等的对比，把各弹性模型的误差彻底控制在一个合理范围内。PERFORM-3D里面,交互式的图形输入界面能够轻易做好弹塑性模型的预处理，包括对恢复力模型、单元模型、荷载工况、弹塑性本构关系，还有性能目标等各种参数的定义。不过在PERFORM-3D中纤维截面的划分需要手动输人，操作较为麻烦，高层结构比较复杂,且构件数量较多,这一过程往往需要借助某种预处理软件完成。4.3性能目标按抗规高规中相应条款提出的规范要求，再加上对实例超高层塔楼建筑的抗震设防烈度、抗震设防具体类别、建筑结构特殊性、施工建造费用，还有震后损失状态等多方面因素的综合考虑,塔楼在遇到大震时，在各种地震水准运动下，各关键构件跟耗能构件的抗震性能目标见表1。建筑工程与装修中国厨卫表1 关键构件跟耗能构件的抗震性能设计目标X,Y方向上的最大值一个是1/1 1 6,另一个是1/1 2 1,都能构件类型罕遇地震下性能目标正截面所具有的承载性能足以核心筒墙肢使其进入塑性状态抗剪性能与截面要求相符核心筒连梁正截面所具有的承载性能足以使其进入塑性状态；抗剪性能与截面要求相符正截面所具有的承载性能足以框架柱使其进入塑性状态：抗剪性能与截面要求相符正截面所具有的承载性能足以框架梁使其进入塑性状态抗剪性能与截面要求相符伸臂桁架承载性能足以使其进入塑性状态，不过不会受到破坏环带桁架承载性能足以使其进入塑性状态，不过不会受到破坏关键节点不屈服抗震性能水准5整体性能目标比D要高，与C接近4.4分析结果实例超高层塔楼建筑工程，按照建筑抗震设计规范要求,采用了人工波2 组,天然波5 组,分别对这七组地震实验波作用下的弹塑性时程展开了深入的分析，发现各组波在处于大震状态下时,对其展开弹性时程分析,所得结果全部具有以下共性。首先，基底部位的剪力都达到了CQC方法的6 5%，且都没有超过1 3 5%；其次，以上七组实验波的分析结果平均值都达到了CQC方法的8 0%,且都没有超过1 2 0%,完全与规范要求相符。在实例超高层塔楼工程处于罕遇地震条件下时，展开弹塑性时程分析，对每组地震波均考虑了双向分量，也就是各地震分量全部沿结构抗侧力体系分别自X，Y 两个方向输人。无论是在水平主向上,还是在水平次向上的加速度，均应严格遵循抗震规范里面要求的1.0:0.8 5 这一比例系数，并结合实际情况对其峰值展开相应的调幅。4.4.1结构整体响应以实例超高层塔楼工程的L039-X工况为例展开分析，结构约在8 s时开始进人弹塑性阶段,通过模态阻尼能跟塑性耗能之间的比例来看,能得到特别显著的非线性发展,其耗能值大约占据总耗散能量的一半。按国家规范要求，建筑结构在罕遇地震的作用下,产生的弹塑性层间位移角一定要保持在1/1 0 0 以下。经计算，在以上7 组实验地震波作用下,塔楼的建筑结构中产生的弹塑性层间位移角，在与规范要求相符。4.4.2结构构件响应各耗能构件、关键构件中的变形、转角数值都可以经PERFORM-3D输出,来验证不同结构构件在各工况下的性能目标能不能与预期要求相符。连梁性能基本上都在LS以内,且所有的连梁都能符合CP的性能目标要求,使抗震性能目标得以满足。在实例超高层塔楼工程的L039-X工况下,塔楼墙体结构的混凝土压应变最大可以达到0.0 0 1 8 4；框架柱结构的压应变最大可以达到0.0 0 1 3 2，全都没有超过要求的压应变峰值。加强层伸臂桁架当中的部分斜腹杆会进入塑性状态，低区环带桁架中的部分斜腹杆也会进人塑性,别的部位即使在大震条件下，也仍然会保持不屈服状态。通过对该实例超高层塔楼工程在罕遇地震条件下展开结构动力弹塑性分析,再将分析结果跟规范要求展开对比，判定该实例超高层塔楼工程的建筑结构基本可以与罕遇地震条件下的结构受力要求相符。5结语在展开结构设计时，不仅要对以往的建筑结构设计原则加以兼顾,且要对超高层建筑的整体结构稳定性给予特别关注,采用弹塑性分析法对建筑结构的稳定性作出准确判定。文章应用建筑结构模型对静力弹塑性作出深入研究,并对建筑结构在罕遇地震条件下的弹塑性动力时程展开分析。通过这种方式，可以为超高层建筑工程的施工建设，提供更加准确可靠的借鉴。1李晓云，龚丽蓉.静力弹塑性分析方法在高层建筑结构设计中的应用 J.黑龙江科技信息,2 0 1 7（1):6 6-6 7.2石磊.弹塑性分析理念在超高层结构设计中的渗透 J.安徽建筑,2 0 1 8,2 4(3):7 2-7 3.3 刘浩,钟聪明,刘鹏.LS-DYNA在建筑结构弹塑性分析中的应用 J.建筑结构,2 0 1 5(2 3):6 5-7 1.4王霞.超高层结构设计中弹塑性法的分析与应用 J.工业，2016(11):152.5陆新征，杨蔚彪，卢啸，等.倒塌分析在某5 0 0 m级超高层建筑抗震设计中的应用 J.建筑结构,2 0 1 5(2 3):9 1-9 7.参考文献2024 年1 1 期1 5 1