邹华富

摘    要：建筑行业在国民经济中的地位一直是相当稳固，这些年来，我国的经济发展带动了建筑行业的迅猛发展。不少高楼大厦拔地而起，而建筑物的稳定性、安全性首要考虑的问题，材料的弹塑性分析在建筑行业的应用理应受到更多的关注。因此本文将从超高层建筑入手，讨论弹塑性分析在提高建筑的防震性能中的应用。

关键词：弹塑性分析;超高层建筑;防震能力;模型分析

1  前言

近些年来，随着全球经济朝着向好发展的局势，全球高楼的数量日益增多，我国香港、深圳、上海、广州等城市的高楼数量在世界上名列前茅。这些年我国的“四个现代化”的总体目标鞭策着国人不断努力奋进，越来越多的人想要在大城市中奋斗和扎根，这也就加快了城镇化的进程。因为供城市不断扩张的土地不断减少，所以城市开始“向上”发展，高楼平地而起。建筑物的高度增加，对建筑行业的相关要求也更加严格。而防震能力也是在评估建筑群的安全性时所需要考虑的。

2  提高城市建筑物防震性能的必要性

由于现在愈来愈多的人来到大城市生活和工作，城市土地的面积有限等诸多原因，城市需要不断地修建更多的超高层建筑来容纳日益增加的人口。现如今，我国的高层建筑规模，相较于其他国家已经进入了高速发展的阶段，各大城市也涌现设计风格各异的高层建筑。但是一些复杂结构的建筑物在追求独特风格和美观的同时，在抗震需求方面可能并未达到国脚要求的安全范围，这给人民群众的生命和财产安全留下极大的隐患[1]。同时，我们也常在新闻上看到一些豆腐渣工程和一些地区发生地震的报道，这给社会也带来了一些不好的影响。因此，着力于研究如何去提高高层建筑的抗震能力，提高超高建筑物的安全性，是造福于人民和社会的大事，是应当受到建筑设计师和城市建设者的共同关注。所以提高城市超高层建筑的防震能力是城镇化所必要的。

3  弹塑性分析

3.1  静力弹塑性分析方法

弹性和塑性是材料的基本特性，弹塑性的分析在工程材料学、工程力学中都是重要的研究内容。静力弹塑性分析法，又称为推覆法和静力载荷增量法。物体在受到外界作用力的情况下，其自身的结构会发生一定程度的变化，因此在特定条件下需要对材料进行力的分析。在实际建筑物结构变化的分析过程中，会加入一个变化的侧向力来提高实验分析的精度。当这个外加侧向力开始变化时，建筑物的架构首先会发生弹性变形，当外界力对构架的作用超过了构架的屈服强度，构架就会发生不可逆转的塑性变形，最后出现结构性的位移，甚至是断裂。因此，确定在这个过程中的最大的弹塑力，对建筑物是否达到规定的抗震标准有着极其重要的参考意义。这种全新的方法为建筑设计师们提供新的参考，为行业的发展提供了保障。

3.2  材料的本构关系与塑性铰分析

由工程力学的相关内容可知，在进行静力弹塑性分析时，常用的方法都是建立弯矩与转角或曲率之间的关系来确定构件材料的静力关系。材料的本构关系主要是由构件的横截面构成。在此关系中，地震对建筑物构件的力影响会造成实际结构的变化。从这方面来看，可大致分为以下四类，构件可立即恢复、出现结构性的损坏、威胁生命安全和彻底的结构破坏。

3.3  水平力的分布模式

在分析侧向载荷的分布形式的过程中，从力的结构变化方面来看，它可以得出在不同震动条件下，不同结构层的惯性力分布形式不同，也可以体现出实际破坏的大小。就目前的研究结果而言，侧向力的分布模式可分为固定模式和实时模式这两类。

就固定模式而言，在实际中它又可以拓展为以下三个小分支：SRSS分布模式、均匀分布模式、倒三角分布模式。SRSS分布形式主要是能直接显示出惯性力，分析的过程十分的简便;均匀分布主要是能够得到重力与实时侧向载荷之间的关系，进而再得出惯性力的分布;倒三角分布主要是以构件的结构构型为基础，进而再得到惯性力的分布[2]。在实际的分析中，由于只应用一种模式无法反映受力与形变之间的真实关系，所以在实际应用中一般会采用至少两种模式进行综合的分析。

第二种实时模式，与固定模式相比它是一种理想化的研究水平力分布的模式，所以又称为非固定模式。它可以较好的用于侧向负载与对应的分析。在这种模式下的求取总水平力和水平力分布分析都是采用周期性的研究。它是在逐渐增加建筑物的相应构件上的侧向水平力的过程中，观察构件在塑性变形的全過程和最终构件的破坏程度，进而通过一系列的计算得出建筑物应对地震破坏的能力大小。

4  弹塑性方法在超高层建筑结构设计中的应用分析

4.1  在假设的条件中对抗震计算结果的模型进行对应的分析

在整个建筑物的结构中，只有钢筋混凝土结构能够拥有抗震得作用。现在我们假设有一个楼群模型，它只包含有两幢建筑物，高度分别是100m和260m，在设计和施工时规定的抗震烈度是7度。在对其抗震能力检验和分析时，设置地震等级为7级，地震产生得加速度为0.1G，由此可知该结构得设计，不但可以达到规定得抗震能力，而且得到了较好得经济效益。该建筑的中心结构是钢筋混凝土筒中筒，外筒为框架筒，内筒主要是剪力墙核心筒。根据我国国标对建筑行业相关技术做出的要求可知，B级高度下的钢筋混凝土主筒的中筒的高度要小于230m。超高层建筑的受力构件主要包括梁柱和剪力墙，其中梁柱是整体构件，主要是应用牢间杆单元对受力情况进行模拟，但是实际的应用的情况往往和模拟的情况是不同的[3]。在现实生活中的受力情况下，梁有三种连接方式，分别是两端固定连接、一边固定一边铰链连接和两端铰链连接。在实际建筑中往往存在较大体积基面的情况，这时的剪切力和形变情况还要考虑更多的因素。

4.2  通过模型分析静力弹塑性的方法

在进行静力弹塑性的分析时，可以构建一个三维有限元模型。科学研究表明，当发生地震烈度为七度的地震时，建筑的构件间的位移是1164mm，该数据在安全范围之内，整个建筑物只有极小可能会坍塌。然而经过模型分析后，发现由于异形柱的原因，建筑物的顶部和底部的某些柱子上出现了塑性铰。由此也可以知道，在模型结构的分析和计算中，舍弃型钢，一些相应位置没有按照相应钢筋配比的要求进行实验模拟，同样会造成上述问题的出现。

4.3  对弹塑性的动力时程进行相关分析

在对建筑模型进行数据分析的过程中，对弹塑性及其动力时程的相应的受力进行对比和分析后，能够直观的了解到，在整个建筑中塑性铰的分布时相对来说比较均匀的，但是在应用弹塑性动力时程进行更加具体的分析之后，可以得知其结果更加具有广泛性。同时通过一些数据的分析，可以初步的判断出其结构是具有一定的安全系数和较好的防震效果。与此同时，这一现象普遍存在于模型分析出的结果当中，大体上是可以认为这是高振型模型自身带有的，并且还没有融入弹塑性分析方法。

然而该问题也让模型分析与实际地震造成的破坏有所不同，这也是不可避免的。

5  结束语

在建筑物在设计过程中，首先要关注它的抗震的能力，这也将成为未来工程实际中抗震工作的发展趋势，弹塑性分析的方法也将受到更多专业人士的应用。同时使用弹力弹塑性方法和弹塑性动力时程，能够推动建筑物抗震设计，还可以为超高建筑物的发展提供模型借鉴。

参考文献：

[1] 何剑平框架—核心筒超高层结构弹塑性分析[D] 大连理工大学，2013.

[2] 方鸿强，章宏东.静力弹塑性分析在超高层建筑结构抗震性能评估中的研究与应用[A].汉嘉创新技术年会[C]， 2011.

[3] 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（1）：221～222.