弹塑性分析在超高层建筑结构设计中的应用

吴雨杨

(四川省建筑设计研究院有限公司设计三院, 四川成都 610000)

城镇化水平不断提高，城市可建设空间在不断缩减，多数城市建筑开始向更高发展，这一演变虽然赋予了城市更多的生存地域，超高层建筑有效解决了该问题。然而，如何增强高层建筑的结构稳定性，也是建筑行业的首要问题，不仅要保证施工技术、设备等资源的应用质量，还要促进施工与设计环节的契合性，在建筑结构设计中解决质量隐患。因此，本文弹塑性分析技术作为研究对象，探析其在超高层建筑设计中的应用价值。

1 提升超高层建筑结构设计稳定性的重要性

建筑行业为适应行业市场需求，逐渐将超高层工程作为主要项目范畴，以此来缓解中低层建筑的密集拥堵问题，对于超高层建筑工程来说，会对建筑结构稳定提出较高要求，如果超高层建筑无法保证结构稳定性，会直接影响到建筑后期使用质量，采用弹塑性分析技术，对施工技术与材料进行优化，并且应用精确的超高层结构稳定性检测技术，可以提升建筑结构设计方案的可行性，提前布置相应的防治措施，降低地震灾害对超高层建筑构成的威胁。

2 弹塑性分析技术概述

弹塑性分析技术，指的是从建筑结构变化角度展开分析，通过对建筑结构施加外在应力，以此来判定建筑结构的稳定性，主要技术内容如下。

(1)静力弹塑性分析技术方式，在针对建筑结构展开分析时，为了使分析过程更加准确，会针对建筑加入一定程度的侧向力，并且在侧向力逐渐提升的过程中，对建筑结构变化程度进行记录，最后达到整个架构的屈服力极限值，针对建筑结构产生的位移情况进行测定，以此来判定建筑结构的稳定性与抗震系数。

(2)施工材料塑性分析技术，在围绕建筑结构稳定性进行分析时，同样是针对建筑加入一定程度的侧向力，并且在侧向力逐渐提升的过程中，对建筑材料变化程度进行记录，相当于对建筑材料进行抗震测试，根据不同地震等级中材料的变化情况，可以对材料的安全等级进行划分，并且将其归类为构件立即恢复，出现构件损坏，威胁生命安全以及结构彻底破坏这四个方面。

(3)水平力分布模式分析技术，指的是在对建筑结构进行侧向负荷测试时，根据建筑结构的变化，对不同结构层的惯性变化趋势进行总结，以此来判定不同应力环境下，建筑结构与材料的变化程度，具体分为固定模式与实时模式，其中前者会根据建筑结构的变化情况进行分析，当建筑结构变化情况处于合理范围时，则说明建筑结构设计方案具有可行性，而且材料与结构之间的稳定性满足工程设计要求。反之当建筑结构的变化情况超出一定范围时，则说明建筑结构设计方案存在质量隐患，需要结合弹塑性分析结果进行调整。而后者主要针对结构变化情况进行实时监控，并且准确记录不同外力环境下，不同时间段中结构的变化程度。

3 弹塑性分析在超高层建筑结构设计中的实际应用

3.1 针对建筑结构稳定性进行假设模型分析

应用弹塑性分析技术，能够对建筑结构稳定性进行模型分析，并且对超高层建筑结构提出假设性问题。例如某7层裙楼由两栋主体建筑组成，高度分别是260 m和100 m，建筑主体结构包括有地上66层、地下3层，楼层高度是3.9 m。在进行建筑结构设计工作时，应用弹塑性分析技术对两个主体建筑结构的稳定性进行验证，参考钢筋混凝土施工质量，保证其能够满足相应的抗震等级。同时在建筑结构设计的优化环节，不仅要从施工质量与效率方面进行考虑，而且还要兼顾超高层工程的成本投入，对高度范围内的钢筋混凝土质量进行判定。在实际施工情况中，超高层建筑通常以剪力墙构成主要受力构件，在整体建筑结构中，梁柱作为主要构件，应用弹塑性分析技术对其变化情况进行模拟分析，这样可以对建筑施工提供准确的数据支撑，保证实际施工情况与预期模型分析结果相同。

3.2 应用模型对静力弹塑性展开分析

其次是应用弹塑性分析技术构建三维有限元模型，并且将其代入到超高层建筑结构设计方案中，案例工程的静力弹塑性结果如表1所示，根据表1可知，当超高层建筑受到七级以上地震的影响时，建筑层间位移是1/164，和规范中的弹塑性层间位移规定的1/120相比，处于安全位移范围内，根据结果判定整体稳定性。当超高层建筑处于地震环境时，采用弹塑性分析技术，对建筑结构的变化周期、加速度、层间位移角等数据情况进行分析，可知当设防烈度为6度，变化周期为5.918，加速度为0.044，层间位移角为1/329，同时当设防烈度为7时，变化周期为6.513，加速度为0.071，层间位移角为1/164，满足超高层建筑结构设计质量要求。同时，弹塑性分析技术还可以对钢筋配比情况的合理性进行判定，并且针对钢筋配比方案提出优化策略。

表1 静力弹塑性结果

3.3 针对建筑结构弹塑性的动力时程进行分析

采用弹塑性分析技术，能够对建筑结构受外力影响下的变化程度进行模拟，通过对建筑结构模型施加外在应力，从而根据动力时程情况进行分析，可以准确掌握当建筑处于任何环境外力中时，其内部结构稳定性在不同时间段的变化程度，这样可以准确分析建筑结构的抗震性能，基本可以认定与高振型的建筑模型存在明显的影响效果，与静力弹塑性分析方法存在差异。在进行超高层建筑结构设计时，结合项目质量要求与环境情况，构建完整的弹塑性分析模式，以此来验证建筑结构与材料在外部应力条件下的变化程度，并且从多方面对建筑结构稳定性展开分析，及时发现影响建筑稳定性的潜在质量隐患，在设计方案中进行调整优化，为后期施工阶段提供有效保障。

结论：综上所述，对于超高层建筑工程来说，在围绕项目综合质量进行设计时，不仅要兼顾传统建筑的建筑结构设计原则，而且还要格外重视超高层建筑的结构稳定性，借助弹塑性分析技术，可以准确判定建筑结构稳定性。本文将弹塑性分析技术作为研究对象，首先阐述提升超高层建筑结构稳定性的重要作用，其次对弹塑性分析技术进行研究，最后指出该技术在超高层建筑结构设计中的实际应用，具体为针对建筑结构稳定性进行假设模型分析，应用模型对静力弹塑性展开分析，对建筑结构弹塑性的动力时程进行分析，以此对超高层建筑施工提供更准确的模型借鉴。