高层建筑结构弹塑性分析范文

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摘要:近年来，我国城市化迅猛发展，为满足城市发展及人口增长的需要，高层建筑应运而生。高层建筑解决了城市发展中的一部分土地及人口问题。但是由于高层建筑结构较为复杂，对其进行弹塑性分析十分必要，能够了解建筑结构的抗震性能，确保高层建筑结构的安全，为城市化的发展提供坚实的基础。

关键词:高层建筑结构；弹塑性分析；模型；应用

改革开放以来，我国的城市化进程不断加快，城市的高层建筑工程也越来越多，居世界之前列。在高层建筑不断发展的同时，高层建筑结构抗震设计也引起广泛的关注与研究。当高层建筑物在经历中级地震或大型地震的时候，其结构必然要进入弹塑性，对建筑结构的安全有着重要的影响，因此对高层建筑的弹塑性分析在建造高层建筑时需要对其进行深入分析，来保证高层建筑结构能够达到塑性的标准要求。但是在实际工作中对高层建筑结构的弹塑性分析并非易事，其需要借助大量的复杂的计算才能得到较为正确的分析结果。针对于高层建筑结构弹塑性的分析工作，国内外已取得一些成就并开发出了一些相关的软件，但在使用的过程当中，大部分的软件都没有到达预想的效果。弹塑性分析方法分为静力弹塑性分析法和动力弹塑性时程分析法是对高层结构进行非线性阶段抗震的两种主要方法，我国高层建筑结构弹塑性分析也采取此两种方法。

1影响建筑结构弹塑性因素

当发生地震时，如果高层建筑结构一直停留在弹性状态下，那么此时的建筑材料在符合虎克定律(固体材料受力之后，材料中的应力与应变之间成线性关系)条件下的反应叫做弹性地震反应;反之，当地震的威力较大的情况下，建筑结构就会进入弹塑性，此时的建筑材料在不符合虎克定律，建筑结构就会引起弹塑性反应［1］。弹性地震反应与弹塑性反应之间有着很大的不同，现将两者之间的不同表述如下。

1．1两者的结构刚度和阻尼不同

弹性地震反应借助于刚度矩阵，也叫做常量矩阵，要依靠相对应的积分来逐步完成相应的计算。标示出弹性体系下的位移与力之间的关系。而在弹塑性地震反应过程中，位移与力的不仅仅是线性的规律，在使用双线性恢复力模型的时候只有当位移同时处在相同的直线段的时候，刚度矩阵才能够满足于常量，反之当两个位移不在同一条直线上，刚度矩阵就会产生影响，刚度矩阵构成了阻尼矩阵，因为，阻尼矩阵的变形趋势与刚度矩阵的变形趋势大致上一致。

1．2弹塑性反应的特殊性

弹性地震反应与弹塑性反应虽然有着很大的不同，但是在某些特殊的情况下，两者可以等同。在地震的强度并非非常强烈，作用力不大的情况下，而此时的结构屈服强度也超过了一定的限度的时候，地震的作用对于高层建筑结构的弹性造成的影响不明显的情况下，而在这个范围内，由弹性地震反应求得的解将会与弹塑性地震反应所求得的解相同，在这种情况下，弹性地震反应可以等同于弹塑性反应。

1．3位移反应与地震力之间的关系

在正常的状态下，地震作用的强度和弹性变形程度成正比，也就是说，地震的强度越大，弹性变形也就会越大，而且弹性的变形无限制，随着地震的强度不断的变形。与弹性变形不同的是，弹塑性变形的不是无限制的，如果地震的力度已达到让结构屈服的程度，弹塑性变形的增长就会越来越慢，并且在达到一定程度的同时就不会再增长，但是弹塑性变形能力的不再增长不会影响结构变形的持续。对于塑性体系与弹性体系的分析比较不能简单的进行概括，在结构、地震力影响相同的情况下，我们无法正确的区分出塑性地震反应与弹塑性反应。由于塑性变形本身没有地震力减小得快的特殊性，在地震力变小下，会出现塑性变形的能力加强的情况。

1．4结构强度与延性

高层建筑结构的屈服强度与高层建筑结构进入塑性状态有着一定的关系，一般而言，屈服强度提升，塑性状态越晚。因为借助于此，可以通过提升强度来达到提高抗震能力。

2高层建筑结构弹塑性分析的结构模型

2．1层模型

层模型的原理主要是将层静力在特定的方法之下当做弹簧串，在对层模型进行一定的分析。对层静力的特性计算和对动力时程响应计算是分析层模型过程当中需要进行的两大计算。对于层静力特性计算通常使用增量法和能量方两种方式，对动力时程响应的计算建立在质量、串联弹簧模型的基础上［2］。

2．2平面模型

平面模型可以在高层建筑结构的刚度分布均匀的情况下使用，因为在这种情况下，建筑的几何就会比较的规则，结构之间的影响则不会太多，反之，不规则的几何布置使得结构之间的影响增大。

2．3空间模型

空间模式在高层建筑结构弹塑性分析中能够进行精确的分析，因为该模型可以将建筑结构的整体进行分析。在强调整体、精度的同时，空间模型也具有自身的缺点，由于复杂的整体分析，使得空间模型分析的计算量较大，对应的时间也较长。

3高层建筑结构弹塑性分析方法的具体应用

3．1空间计算模型的具体应用

在上述高层建筑结构弹塑性分析的结构模型中指出空间模型有着高度的精确性，但是其本身所运用的计算及时间加大，因而限制其的运用。但随着科技的迅猛发展，尤其是计算机技术和计算数值技术的快速发展，在高层建筑结构弹塑性分析工作中也大量的使用相关技术。传统的层模型和平面模型由于自身的一些缺点已被逐渐的淘汰，越来越大的工程人员都选择使用空间模型来进行高层建筑结构弹塑性分析，在使用空间模型的同时，伴随图形分析技术的发展，使得在工程设计的时候工程模型能够更加的逼真与形象，在缩短模型分析时间与减轻计算复杂性的同时，也不断的提高了高层建筑结构弹塑性的精确度、提升了弹塑性分析的效率。

3．2计算程序的选用

计算机分析软件的选用对于高层建筑结构弹塑性分析有着重要的作用，不理想的计算机分析软件不仅会浪费大量的时间进行分析而且得出的分析结果也并非准确。因此要正确地进行高层建筑结构的弹塑性分析，保证分析的高效顺利完成，就必须要选择合适的计算机分析软件。对于高层建筑结构弹塑性分析，目前我国主要采用三种计算机软件:第一种是ABAQUS三维有限元弹塑性分析程序，此款软件在高层建筑结构弹塑性分析中的运用最为广泛，得益于其优异的分析能力以及二次开发能力。线性与非线性的静力弹塑性分析法和动力弹塑性时程分析都可以运用ABAQUS三维有限元弹塑性分析程序;第二种是SAP2000三维有限元弹塑性分析程序，强大的分析能力使得SAP2000三维有限元弹塑性分析程序的运用也十分广泛，在日常当中遇到的方法，如时程分析、地震动输入、动力分析以及Push－over分析等，ABAQUS三维有限元弹塑性分析程序基本上都具有，强大的分析与处理能力让SAP2000三维有限元弹塑性分析程序在工程领域得到大量运用;第三种是MIDAS系列三维有限元弹塑性分析程序。简单易操作、上手快等特点也让MIDAS系列三维有限元弹塑性分析程序在高层建筑结构弹塑性分析中得到认可。此外空间弹塑性分析程序SCM－3D，AN－SYS，Algor，Cosmos/M等大型微机有限元分析程序，三维结构弹塑性地震反应分析程序DRAIN－3D等都可以用于高层建筑结构弹塑性分析［3］。

4结语

综上所述，高层建筑弹塑性分析是一项十分复杂的工程，影响的因素也比较多。这就要求设计人员在建造高层建筑结构时要高度重视弹塑性分析，不断运用现代科技手段，确保分析结果的高效与准确。

作者:刘强 邬鑫琼 单位:深圳市筑道建筑工程设计有限公司南昌分公司

参考文献：

［1］汪梦甫，周锡元．高层建筑结构抗震弹塑性分析方法及抗震性能评估的研究［J］．土木工程学报，2003(11)．

［2］王鑫，聂桂兰．静力与动力弹塑性分析在超限高层建筑结构抗震设计中的应用［J］．中国西部科技，2009(23)．

［3］杨旭东，娄蕙．高层建筑结构弹塑性分析方法的应用探讨［J］．绍兴文理学院学报，2003(9)．