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【摘要】随着高层建筑在我国各城市的普及，以及楼层高度的不断增加，如何对高层建筑的可靠性与安全性进行保障，就需要运用弹塑性设计。弹塑性设计能够提高高层建筑的安全性和抗震能力，是高层建筑中必不可少的设计方法。本文对弹塑性设计在高层建筑方面的应用进行了分析和探讨。
【关键词】弹塑性设计；高层建筑；分析应用
中图分类号： TU208 文献标识码： A
我国的城市规模正在逐渐扩大，为了提高土地的利用率，兴建高层建筑是一个必然的趋势。然而高层建筑的高度越来越高，结构和体型也越来越复杂，如何保障高层建筑的安全性、抗震性是高层建筑设计中一个刻不容缓的问题。本人结合多年实际工作经验，对弹塑性设计在高层建筑方面的应用展开了探讨，旨在通过弹塑性设计提高高层建筑的抗震性和安全性。
1.高层建筑弹塑性设计的概念
高层建筑中的弹塑性设计包括静力弹塑性分析法和动力弹塑性分析法两种。在具体应用中两种方法进行结合使用。
1.1静力弹塑性分析理论
静力弹塑性分析也称为静力推覆分析，主要是以实际的结构情况为依据，将通过模拟地震而得到的水平惯性力作用添加到建筑结构中，使建筑结构承受一种侧向力，并不断加强这种侧向力的强度[1]。建筑结构在侧向力的作用下弹性、裂开并且屈服，最后发生结构控制位移。促使建筑结构实现预期目标的位移或者成为机构，以掌握建筑结构在地震影响下的情况。对建筑结构的薄弱部位、内力特性、变形情况、塑性铰的发生次序和部位、破坏机制等情况进行了解，从而判断建筑结构对地震作用的承受能力[2]。
1.2动力弹塑性分析理论
上世纪六七十年代，与静力弹塑性分析理论相对的另一种高层建筑弹塑性分析理论兴起了，也就是弹塑性动力时程分析理论。该理论同样是对高层建筑的抗震性进行分析，在上世纪八十年代之后弹塑性动力时程分析理论已经被大部分国家所采用，用来对高层建筑的抗震设计进行分析。
弹塑性动力时程分析主要是通过运动微分方程，对高层结构物进行积分求解，以时程分析的方法来来高层建筑结构在时间变化中的质点位移、加速度动力和移动速度进行掌握，计算高层结构的时程变化状况与结构变形情况[3]。弹塑性动力时程分析法涉及到的数据量很大，计算程序也较为复杂，开展的难度比较大。然而信息技术的发展为弹塑性动力时程分析法提供了便利，弹塑性动力时程分析也在逐渐被认可和推广。
2.高层建筑弹塑性分析的方法和步骤
本文以某高层建筑为例，对高层建筑弹塑性分析的方法步骤进行分析和阐述。该高层建筑楼层为裙楼设计。主体结构中，地上为14层，地下三层。楼层的高度為标准高度，避难层与地下室底部的高度为五米。此高层建筑物采取钢筋混凝土筒中筒结构为抗侧力体系。
该高层建筑物弹塑性设计方法和步骤如下：
2.1根据假设条件计算弹塑性模型
在该高层建筑设计中，对抗震的设防烈度为七度，对基本地震加速度进行设计，并将其作为二级场地。该高层建筑使用的是钢筋混凝土筒中筒结构，以提高其技术的可操作性和工程建设的效率。该钢筋混凝土筒中筒结构中，内筒为钢筋混凝土剪力墙核心筒结构，外筒为框筒结构。高层建筑的基础受力构件在一般情况下为楼板、梁柱、支撑剪力墙等。其中梁柱能够模拟空间杆单元的受力情况，因此作为一维构件。梁柱根据受力情况的不同有三种情况：一端铰接一端固定、两端固定和两端铰接[4]。当梁柱的截面过大时，还要考虑梁柱的剪切变形作用。
高层建筑结构的剪力墙是其最重要的抗侧力构件。因此，依据有限元理论，必须模拟剪力墙的受力情况，一般以壳元作为最合适的模拟对象。壳元和平面板元相结合，则可以模拟楼板的受力情况。
总之，高层建筑弹塑性分析的第一步就是要对假设情况进行梳理，并进行计算模型的设置。
2.2对高层建筑进行静力弹塑性分析
在该步骤中，主要使用的计算机软件是非线性有限元计算分析软件。非线性有限元计算分析软件可以构建高层建筑的有限元模型，以此作为分析对象，来分析高层建筑的弹塑性。高层建筑的静力弹塑性分析主要是对高层建筑的设防烈度、场地类别、地震分组、地震影响系数最大值、特征周期、弹性阻尼比、能力和需求曲线交点坐标以及层间位移角等情况进行分析和检测。
经过分析，以烈度为7度的罕遇地震来影响高层建筑的结构，相关规范中对高层建筑结构弹塑性的层间位移角的最大值是1/120，而该高层建筑结构弹塑性的层间位移角明显小于1/120，因此可以得出该高层建筑在遭遇烈度为7度的罕遇地震时不会发生倒塌现象。
接着对该高层建筑结构进行静力弹塑性推覆分析，绘制出塑性铰的分布示意图，并对塑性铰分布示意图进行分析。通过分析可以得出，在该高层建筑结构中，部分柱子的顶部和脚部都出现了塑性铰的情况。对该情况出现的原因进行分析，可能是由于该高层建筑的角柱是异形柱，因此塑性铰较高。在计算模型时没有加入型钢，也没有调节混凝土柱的配筋，尤其是混凝土柱配筋上部的塑性铰位置。
2.3对高层建筑进行弹塑性动力时程分析
在静力弹塑性分析完毕后，要对该高层建筑进行弹塑性动力时程分析，选择一组人工波和两组实际的强震记录来进行弹塑性动力时程分析，所谓的人工波也就是以人工来对加速度时程进行模拟的曲线。一组人工波与两组实际强震记录的原始最大加速度与相关的规范的最大加速度相对比，以其最大的层间位移角与相关规定中的最大层间位移角相对比。对比之后可以发现最大层间位移角没有超过相关规定中的角限值。因此通过弹塑性动力时程分析，可以得出该高层建筑的工程结构的安全系数较高。
2.4将静力弹塑性分析的结果与弹塑性动力时程分析的结果进行对比
在对该高层建筑进行静力弹塑性分析和弹塑性动力时程分析之后，还要将两种分析的结果进行比较，分析其相同点与不同点，才能对该高层建筑的弹塑性进行最终的评定。
通过对比发现，该高层建筑结构的塑性铰区域的分布总体来说是一致的，通过动力时程分析可以得出塑性铰的分布区域。然而弹塑性动力时程分析出的塑性铰分布区域却比静力弹塑性分析得出的分布区域更加广泛。要对这二者分析的塑性铰分布区域进行分析，发现高振型的作用在静力塑性铰分析中没有进行考虑，因此经济塑性铰分析中的加载模式与实际地震影响之间还存在一定差距。
通过对高层建筑采取静力弹塑性分析和弹塑性动力时程分析，并将二者的结果进行仔细的对比，可以对对该高层建筑的弹塑性进行一个比较全面的分析。
3.结语
高层建筑的抗震性一直受到全社会广泛的关注，也关系着高层建筑的安全性与可靠性。高层建筑要依靠其结构的性能设计来提高其抗震性。因此要对高层建筑的工程抗震设计进行研究。弹塑性设计在高层建筑中的应用的方法主要是静力弹塑性分析和弹塑性动力时程分析，对高层建筑在地震作用下的状态进行分析。通过弹塑性设计可以对高层建筑结构体系中的薄弱体系，以及高层建筑结构在地震作用下的破坏程度和破坏次序进行推断，以加强高层建筑结构的安全性和抗震性。
【参考文献】
[1] 任旭,石玉.结合工程实际对高层建筑结构设计的论述[J]. 建材与装饰(下旬刊). 2012(05)
[2] 刘贵荣,陆雪梅.浅析建筑结构设计中的几个问题[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2012(05)
[3] 王森,王志远,周清晓.静力弹塑性分析方法的修正及其在抗震设计中的应用[J]. 建筑结构. 2011(08)
[4] 杨铭钊.建筑工程中钢筋混凝土高层建筑结构设计[J]. 中国新技术新产品. 2010(21)
【关键词】弹塑性设计；高层建筑；分析应用
中图分类号： TU208 文献标识码： A
我国的城市规模正在逐渐扩大，为了提高土地的利用率，兴建高层建筑是一个必然的趋势。然而高层建筑的高度越来越高，结构和体型也越来越复杂，如何保障高层建筑的安全性、抗震性是高层建筑设计中一个刻不容缓的问题。本人结合多年实际工作经验，对弹塑性设计在高层建筑方面的应用展开了探讨，旨在通过弹塑性设计提高高层建筑的抗震性和安全性。
1.高层建筑弹塑性设计的概念
高层建筑中的弹塑性设计包括静力弹塑性分析法和动力弹塑性分析法两种。在具体应用中两种方法进行结合使用。
1.1静力弹塑性分析理论
静力弹塑性分析也称为静力推覆分析，主要是以实际的结构情况为依据，将通过模拟地震而得到的水平惯性力作用添加到建筑结构中，使建筑结构承受一种侧向力，并不断加强这种侧向力的强度[1]。建筑结构在侧向力的作用下弹性、裂开并且屈服，最后发生结构控制位移。促使建筑结构实现预期目标的位移或者成为机构，以掌握建筑结构在地震影响下的情况。对建筑结构的薄弱部位、内力特性、变形情况、塑性铰的发生次序和部位、破坏机制等情况进行了解，从而判断建筑结构对地震作用的承受能力[2]。
1.2动力弹塑性分析理论
上世纪六七十年代，与静力弹塑性分析理论相对的另一种高层建筑弹塑性分析理论兴起了，也就是弹塑性动力时程分析理论。该理论同样是对高层建筑的抗震性进行分析，在上世纪八十年代之后弹塑性动力时程分析理论已经被大部分国家所采用，用来对高层建筑的抗震设计进行分析。
弹塑性动力时程分析主要是通过运动微分方程，对高层结构物进行积分求解，以时程分析的方法来来高层建筑结构在时间变化中的质点位移、加速度动力和移动速度进行掌握，计算高层结构的时程变化状况与结构变形情况[3]。弹塑性动力时程分析法涉及到的数据量很大，计算程序也较为复杂，开展的难度比较大。然而信息技术的发展为弹塑性动力时程分析法提供了便利，弹塑性动力时程分析也在逐渐被认可和推广。
2.高层建筑弹塑性分析的方法和步骤
本文以某高层建筑为例，对高层建筑弹塑性分析的方法步骤进行分析和阐述。该高层建筑楼层为裙楼设计。主体结构中，地上为14层，地下三层。楼层的高度為标准高度，避难层与地下室底部的高度为五米。此高层建筑物采取钢筋混凝土筒中筒结构为抗侧力体系。
该高层建筑物弹塑性设计方法和步骤如下：
2.1根据假设条件计算弹塑性模型
在该高层建筑设计中，对抗震的设防烈度为七度，对基本地震加速度进行设计，并将其作为二级场地。该高层建筑使用的是钢筋混凝土筒中筒结构，以提高其技术的可操作性和工程建设的效率。该钢筋混凝土筒中筒结构中，内筒为钢筋混凝土剪力墙核心筒结构，外筒为框筒结构。高层建筑的基础受力构件在一般情况下为楼板、梁柱、支撑剪力墙等。其中梁柱能够模拟空间杆单元的受力情况，因此作为一维构件。梁柱根据受力情况的不同有三种情况：一端铰接一端固定、两端固定和两端铰接[4]。当梁柱的截面过大时，还要考虑梁柱的剪切变形作用。
高层建筑结构的剪力墙是其最重要的抗侧力构件。因此，依据有限元理论，必须模拟剪力墙的受力情况，一般以壳元作为最合适的模拟对象。壳元和平面板元相结合，则可以模拟楼板的受力情况。
总之，高层建筑弹塑性分析的第一步就是要对假设情况进行梳理，并进行计算模型的设置。
2.2对高层建筑进行静力弹塑性分析
在该步骤中，主要使用的计算机软件是非线性有限元计算分析软件。非线性有限元计算分析软件可以构建高层建筑的有限元模型，以此作为分析对象，来分析高层建筑的弹塑性。高层建筑的静力弹塑性分析主要是对高层建筑的设防烈度、场地类别、地震分组、地震影响系数最大值、特征周期、弹性阻尼比、能力和需求曲线交点坐标以及层间位移角等情况进行分析和检测。
经过分析，以烈度为7度的罕遇地震来影响高层建筑的结构，相关规范中对高层建筑结构弹塑性的层间位移角的最大值是1/120，而该高层建筑结构弹塑性的层间位移角明显小于1/120，因此可以得出该高层建筑在遭遇烈度为7度的罕遇地震时不会发生倒塌现象。
接着对该高层建筑结构进行静力弹塑性推覆分析，绘制出塑性铰的分布示意图，并对塑性铰分布示意图进行分析。通过分析可以得出，在该高层建筑结构中，部分柱子的顶部和脚部都出现了塑性铰的情况。对该情况出现的原因进行分析，可能是由于该高层建筑的角柱是异形柱，因此塑性铰较高。在计算模型时没有加入型钢，也没有调节混凝土柱的配筋，尤其是混凝土柱配筋上部的塑性铰位置。
2.3对高层建筑进行弹塑性动力时程分析
在静力弹塑性分析完毕后，要对该高层建筑进行弹塑性动力时程分析，选择一组人工波和两组实际的强震记录来进行弹塑性动力时程分析，所谓的人工波也就是以人工来对加速度时程进行模拟的曲线。一组人工波与两组实际强震记录的原始最大加速度与相关的规范的最大加速度相对比，以其最大的层间位移角与相关规定中的最大层间位移角相对比。对比之后可以发现最大层间位移角没有超过相关规定中的角限值。因此通过弹塑性动力时程分析，可以得出该高层建筑的工程结构的安全系数较高。
2.4将静力弹塑性分析的结果与弹塑性动力时程分析的结果进行对比
在对该高层建筑进行静力弹塑性分析和弹塑性动力时程分析之后，还要将两种分析的结果进行比较，分析其相同点与不同点，才能对该高层建筑的弹塑性进行最终的评定。
通过对比发现，该高层建筑结构的塑性铰区域的分布总体来说是一致的，通过动力时程分析可以得出塑性铰的分布区域。然而弹塑性动力时程分析出的塑性铰分布区域却比静力弹塑性分析得出的分布区域更加广泛。要对这二者分析的塑性铰分布区域进行分析，发现高振型的作用在静力塑性铰分析中没有进行考虑，因此经济塑性铰分析中的加载模式与实际地震影响之间还存在一定差距。
通过对高层建筑采取静力弹塑性分析和弹塑性动力时程分析，并将二者的结果进行仔细的对比，可以对对该高层建筑的弹塑性进行一个比较全面的分析。
3.结语
高层建筑的抗震性一直受到全社会广泛的关注，也关系着高层建筑的安全性与可靠性。高层建筑要依靠其结构的性能设计来提高其抗震性。因此要对高层建筑的工程抗震设计进行研究。弹塑性设计在高层建筑中的应用的方法主要是静力弹塑性分析和弹塑性动力时程分析，对高层建筑在地震作用下的状态进行分析。通过弹塑性设计可以对高层建筑结构体系中的薄弱体系，以及高层建筑结构在地震作用下的破坏程度和破坏次序进行推断，以加强高层建筑结构的安全性和抗震性。
【参考文献】
[1] 任旭,石玉.结合工程实际对高层建筑结构设计的论述[J]. 建材与装饰(下旬刊). 2012(05)
[2] 刘贵荣,陆雪梅.浅析建筑结构设计中的几个问题[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2012(05)
[3] 王森,王志远,周清晓.静力弹塑性分析方法的修正及其在抗震设计中的应用[J]. 建筑结构. 2011(08)
[4] 杨铭钊.建筑工程中钢筋混凝土高层建筑结构设计[J]. 中国新技术新产品. 2010(21)