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摘要:近年來，我國城市化迅猛發(fā)展，為滿足城市發(fā)展及人口增長的需要，高層建筑應運而生。高層建筑解決了城市發(fā)展中的一部分土地及人口問題。但是由于高層建筑結(jié)構(gòu)較為復雜，對其進行彈塑性分析十分必要，能夠了解建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，確保高層建筑結(jié)構(gòu)的安全，為城市化的發(fā)展提供堅實的基礎。

關鍵詞:高層建筑結(jié)構(gòu)；彈塑性分析；模型；應用

改革開放以來，我國的城市化進程不斷加快，城市的高層建筑工程也越來越多，居世界之前列。在高層建筑不斷發(fā)展的同時，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設計也引起廣泛的關注與研究。當高層建筑物在經(jīng)歷中級地震或大型地震的時候，其結(jié)構(gòu)必然要進入彈塑性，對建筑結(jié)構(gòu)的安全有著重要的影響，因此對高層建筑的彈塑性分析在建造高層建筑時需要對其進行深入分析，來保證高層建筑結(jié)構(gòu)能夠達到塑性的標準要求。但是在實際工作中對高層建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性分析并非易事，其需要借助大量的復雜的計算才能得到較為正確的分析結(jié)果。針對于高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性的分析工作，國內(nèi)外已取得一些成就并開發(fā)出了一些相關的軟件，但在使用的過程當中，大部分的軟件都沒有到達預想的效果。彈塑性分析方法分為靜力彈塑性分析法和動力彈塑性時程分析法是對高層結(jié)構(gòu)進行非線性階段抗震的兩種主要方法，我國高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析也采取此兩種方法。

1影響建筑結(jié)構(gòu)彈塑性因素

當發(fā)生地震時，如果高層建筑結(jié)構(gòu)一直停留在彈性狀態(tài)下，那么此時的建筑材料在符合虎克定律(固體材料受力之后，材料中的應力與應變之間成線性關系)條件下的反應叫做彈性地震反應;反之，當?shù)卣鸬耐^大的情況下，建筑結(jié)構(gòu)就會進入彈塑性，此時的建筑材料在不符合虎克定律，建筑結(jié)構(gòu)就會引起彈塑性反應［1］。彈性地震反應與彈塑性反應之間有著很大的不同，現(xiàn)將兩者之間的不同表述如下。

1．1兩者的結(jié)構(gòu)剛度和阻尼不同

彈性地震反應借助于剛度矩陣，也叫做常量矩陣，要依靠相對應的積分來逐步完成相應的計算。標示出彈性體系下的位移與力之間的關系。而在彈塑性地震反應過程中，位移與力的不僅僅是線性的規(guī)律，在使用雙線性恢復力模型的時候只有當位移同時處在相同的直線段的時候，剛度矩陣才能夠滿足于常量，反之當兩個位移不在同一條直線上，剛度矩陣就會產(chǎn)生影響，剛度矩陣構(gòu)成了阻尼矩陣，因為，阻尼矩陣的變形趨勢與剛度矩陣的變形趨勢大致上一致。

1．2彈塑性反應的特殊性

彈性地震反應與彈塑性反應雖然有著很大的不同，但是在某些特殊的情況下，兩者可以等同。在地震的強度并非非常強烈，作用力不大的情況下，而此時的結(jié)構(gòu)屈服強度也超過了一定的限度的時候，地震的作用對于高層建筑結(jié)構(gòu)的彈性造成的影響不明顯的情況下，而在這個范圍內(nèi)，由彈性地震反應求得的解將會與彈塑性地震反應所求得的解相同，在這種情況下，彈性地震反應可以等同于彈塑性反應。

1．3位移反應與地震力之間的關系

在正常的狀態(tài)下，地震作用的強度和彈性變形程度成正比，也就是說，地震的強度越大，彈性變形也就會越大，而且彈性的變形無限制，隨著地震的強度不斷的變形。與彈性變形不同的是，彈塑性變形的不是無限制的，如果地震的力度已達到讓結(jié)構(gòu)屈服的程度，彈塑性變形的增長就會越來越慢，并且在達到一定程度的同時就不會再增長，但是彈塑性變形能力的不再增長不會影響結(jié)構(gòu)變形的持續(xù)。對于塑性體系與彈性體系的分析比較不能簡單的進行概括，在結(jié)構(gòu)、地震力影響相同的情況下，我們無法正確的區(qū)分出塑性地震反應與彈塑性反應。由于塑性變形本身沒有地震力減小得快的特殊性，在地震力變小下，會出現(xiàn)塑性變形的能力加強的情況。

1．4結(jié)構(gòu)強度與延性

高層建筑結(jié)構(gòu)的屈服強度與高層建筑結(jié)構(gòu)進入塑性狀態(tài)有著一定的關系，一般而言，屈服強度提升，塑性狀態(tài)越晚。因為借助于此，可以通過提升強度來達到提高抗震能力。

2高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析的結(jié)構(gòu)模型

2．1層模型

層模型的原理主要是將層靜力在特定的方法之下當做彈簧串，在對層模型進行一定的分析。對層靜力的特性計算和對動力時程響應計算是分析層模型過程當中需要進行的兩大計算。對于層靜力特性計算通常使用增量法和能量方兩種方式，對動力時程響應的計算建立在質(zhì)量、串聯(lián)彈簧模型的基礎上［2］。

2．2平面模型

平面模型可以在高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度分布均勻的情況下使用，因為在這種情況下，建筑的幾何就會比較的規(guī)則，結(jié)構(gòu)之間的影響則不會太多，反之，不規(guī)則的幾何布置使得結(jié)構(gòu)之間的影響增大。

2．3空間模型

空間模式在高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析中能夠進行精確的分析，因為該模型可以將建筑結(jié)構(gòu)的整體進行分析。在強調(diào)整體、精度的同時，空間模型也具有自身的缺點，由于復雜的整體分析，使得空間模型分析的計算量較大，對應的時間也較長。

3高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法的具體應用

3．1空間計算模型的具體應用

在上述高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析的結(jié)構(gòu)模型中指出空間模型有著高度的精確性，但是其本身所運用的計算及時間加大，因而限制其的運用。但隨著科技的迅猛發(fā)展，尤其是計算機技術和計算數(shù)值技術的快速發(fā)展，在高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析工作中也大量的使用相關技術。傳統(tǒng)的層模型和平面模型由于自身的一些缺點已被逐漸的淘汰，越來越大的工程人員都選擇使用空間模型來進行高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析，在使用空間模型的同時，伴隨圖形分析技術的發(fā)展，使得在工程設計的時候工程模型能夠更加的逼真與形象，在縮短模型分析時間與減輕計算復雜性的同時，也不斷的提高了高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性的精確度、提升了彈塑性分析的效率。

3．2計算程序的選用

計算機分析軟件的選用對于高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析有著重要的作用，不理想的計算機分析軟件不僅會浪費大量的時間進行分析而且得出的分析結(jié)果也并非準確。因此要正確地進行高層建筑結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，保證分析的高效順利完成，就必須要選擇合適的計算機分析軟件。對于高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析，目前我國主要采用三種計算機軟件:第一種是ABAQUS三維有限元彈塑性分析程序，此款軟件在高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析中的運用最為廣泛，得益于其優(yōu)異的分析能力以及二次開發(fā)能力。線性與非線性的靜力彈塑性分析法和動力彈塑性時程分析都可以運用ABAQUS三維有限元彈塑性分析程序;第二種是SAP2000三維有限元彈塑性分析程序，強大的分析能力使得SAP2000三維有限元彈塑性分析程序的運用也十分廣泛，在日常當中遇到的方法，如時程分析、地震動輸入、動力分析以及Push－over分析等，ABAQUS三維有限元彈塑性分析程序基本上都具有，強大的分析與處理能力讓SAP2000三維有限元彈塑性分析程序在工程領域得到大量運用;第三種是MIDAS系列三維有限元彈塑性分析程序。簡單易操作、上手快等特點也讓MIDAS系列三維有限元彈塑性分析程序在高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析中得到認可。此外空間彈塑性分析程序SCM－3D，AN－SYS，Algor，Cosmos/M等大型微機有限元分析程序，三維結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應分析程序DRAIN－3D等都可以用于高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析［3］。

4結(jié)語

綜上所述，高層建筑彈塑性分析是一項十分復雜的工程，影響的因素也比較多。這就要求設計人員在建造高層建筑結(jié)構(gòu)時要高度重視彈塑性分析，不斷運用現(xiàn)代科技手段，確保分析結(jié)果的高效與準確。

作者:劉強 鄔鑫瓊 單位:深圳市筑道建筑工程設計有限公司南昌分公司

參考文獻：

［1］汪夢甫，周錫元．高層建筑結(jié)構(gòu)抗震彈塑性分析方法及抗震性能評估的研究［J］．土木工程學報，2003(11)．

［2］王鑫，聶桂蘭．靜力與動力彈塑性分析在超限高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設計中的應用［J］．中國西部科技，2009(23)．

［3］楊旭東，婁蕙．高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法的應用探討［J］．紹興文理學院學報，2003(9)．