弹塑性分析方法在超高层建筑结构设计中的应用

弹塑性分析方法在超高层建筑结构设计中的应用

摘要：改革开放以来，伴随着社会经济的快速发展，我国城市建筑规模也在不

断扩大，超高层建筑建设也越来越广泛。超高层建筑的安全性和抗震性是衡量建

筑质量的重要指标。近年来，基于弹塑性的抗震性能化设计被越来越广泛的应用

于现代高层建筑之中。本文从弹塑性分析方法的角度出发，探索和分析其在超高

层建筑结构建设中发挥的实际巨大作用。

关键词：弹塑性分析方法；超高层建筑；应用

就目前我国的建筑工程建设规模相较于其他某些国家来说，其实已经处于很高的水平了。在建筑楼层自身高度逐步增加的同时，其所涌现出的结构也比较复杂。但是有些超高层建筑

结构的抗震设计，不仅违反了国家所规定的抗震设计规范，而且也超出了国家所规定的范围。在这些建筑的结构和高度上，部分超高层建筑可以说是已经完全超出国家出版的相关规程的

合理范围。这就很大程度上反映了建筑设计中需要考虑的一些现实问题：如果设计者不能对

超高层建筑在抗震设防和安全等方面给予充分的分析解释，不能使建筑物自身的抗震性能得

以提高，那么势必会给建筑的抗震可靠性带来冲击，直接影响到建筑的安全性。因此在一些

超高层建筑建设中，必须要对其抗震性能给与高度重视，从而保证建筑结构的安全性和可靠性。作为设计者，只有保证建筑结构的安全性和可靠性才能不断的推动建筑行业向前蓬勃发展。

1. 弹塑性的方法概述

随着我国经济的高速发展，高层建筑建设也越来越多。由于超高层建筑的层数相对较多，面积也相对较大，如何在地震作用下保证建筑物的安全性能就显的尤为重要。下面主要对弹

塑性方法进行探究和详述，如下所示：

1.1 静力弹塑性分析方法

静力弹塑性分析方法，是对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析的一种简化方法，从本质上说它是一种静力分析方法。具体地说，就是结构计算模型上施加按某种规则分布的

水平侧向力，单调加载并逐级加大；一旦构件开裂（或屈服）即修改其刚度（或使其推出工作），进而修改结构总刚度矩阵，进行下一步计算，依次循环直到结构达到预定的状态（成

为机构、位移超限或达到目标位移），从而判断是否满足相应的抗震能力要求。这种方法能

够使设计者充分了解到在地震作用下建筑的各种结构的变化情况，比如建筑结构出现变形以

及内力等特性。使用这种方法同时还能够让设计者们掌握建筑塑性会出现的位置以及建筑可

能会出现的破坏机制，这样能更加清楚的对建筑结构能否承受住地震所带来的巨大破坏力做

出判断。

1.2动力弹塑性时程分析方法

弹塑性时程分析方法将结构作为弹塑性振动体系加以分析，直接按照地震波数据输入地

面运动，通过积分运算，求得在地面加速度随时间变化期间内，结构的内力和变形随时间变

化的全过程，也称为弹塑性直接动力法。这种方法能够及时掌握建筑结构出现的位移变化及

动力反应等情况，使设计者们能够把建筑结构变形以及建筑结构内力的变化计算出来。动力

时程分析方法计算量大，运行时间长，分析中需要用到大量有限元、钢筋混凝土本构关系、

损伤模型等相关理论知识，对计算人员要求较高。随着计算机技术的快速发展和广泛应用和

理论研究的不断发展，动力时程分析方法的也慢慢应用到超高层结构的设计中来。

2. 弹塑性方法在超高层建筑结构设计中应用分析

以某建筑为例，该建筑高度为255米。地上为64层，地下则为3 层，基本层高为3.9米，避难层以及底部的四层高度为5米。

2.1 计算模型以及假设条件分析

该工程主要为 II 级场地，基本地震加速度设计为 0.1g，对抗震设防烈度为七度，地震分

组是第 1 组。该建筑采用的是钢筋混凝土筒中筒结构，外筒使用的是框筒，内筒是钢筋混凝

土剪力墙的核心筒。梁柱一般可以通过三种不同的方式连接：一是梁端部进行铰接；二是两

端固定；三是一端进行铰接另外一端固定。在超高层建筑中，剪力墙是一种较为重要的抗侧

力构件，我们可以采取壳单元来模拟它的受力情况。

2.2 静力弹塑性方法分析

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

程做静力弹塑性分析。如表1所示

表1 静力弹塑性分析方法结果

如上图所示，建筑结构在七度罕遇地震的影响下，位移为1164，由此可以知道该机构在遇到七度地震时，不会存在倒塌问题。一些柱子因为角柱与异形柱之间存在一定关系，所以

它在脚部位置和顶部位置就会存在塑性铰，因此在对其模型进行分析计算的过程中，就不用

将其中加入型钢，尤其是针对上部存在塑性铰的地方，也不用对混凝土柱的配筋做相应调试。

2.3 动力弹塑性时程分析

在进行结构弹塑性动力时程分析研究时，对于一些超高层的建筑结构来说，可以选择一

组人工波（该人工模拟加速度时程曲线）以及选择两组相对来说比较强的自然波，对于原来

最大加速度为254.8g、207.8g和67.2g，存在的最大间层位移角度为1/169、1/170 和1/196，通过上述数据分析研究可以得出，间层弹塑性位移以及相关规范当中所规定出来的角限值实

际上很小，因此该工程结构相对较为安全可靠。然而经过弹塑性动力时程分析得到的塑形铰

接分布区域，在一定程度上比静力弹塑性分析更加广泛，会导致出现这种情况，可能是因为

静力弹塑性分析方法没有把自身所发挥的高振型作用纳入考虑范围内，这就导致了实际地震

产生的影响和加载模式间存在一定差距。

3结语

建立在性能基础之上的结构抗震设计，将是未来建筑工程抗震设计发展的一个极为重大

的趋势，对其实用性和抗震性加以分析与探究，已经成为当今国内外地震工程领域的一个重

大研究课题。上述方法中，静力弹塑性分析办法是实现超高层结构抗震设计的有力手段，引

起了众多工程人员的关注。本文通过研究发现，在超高层结构建筑工程中，采取动力弹塑性

时程分析办法与静力弹塑性分析办法，对其在地震作用下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，能够发现建筑结构体系中所隐藏的薄弱部位，再对结构

破坏的次序加以推断，这对高层建筑结构具有极为重大且深远的现实意义。

参考文献：

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[2]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,2017(01):221-222.