动力弹塑性分析在超限高层建筑结构设计中的应用

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1、动力弹塑性分析在超限高层建筑结构设计中的应用张全强莱芜市规划建筑设计院山东省莱芜市邮编：271100摘要：随着我国国民经济的迅速发展，越来越多的超限高层建筑被应用到人们的生活中。基于建筑结构设计的“三水准、两阶段”原则，在大震作用下需要对建筑结构的抗震可靠性做出评估。动力弹塑性分析（时程分析法）能详细记录建筑结构在大震作用下的地震反应，是超限结构抗震分析的重要方法，木文针对时程分析法在超限结构的抗震设计分析需要注意的事项，做了一些分析，以备工程技术人员在设计时选择釆用。一、动力弹塑性分析的研究背景虽然静力弹塑性分析能估算出结构的非线性变形能力，分析结果相对于弹性分析的结

2、果更符合结构的实际受力情况。但静力弹塑性分析的能力反应谱为荷载-位移的单质点能力反应谱，不能全面考虑荷载作用的方式，静力弹塑性分析理论计算荷载作用方式与实际荷载作用方式存在偏差，不能真实的反应地震作用下结构的内力发展、结构耗能的情况。同时，在大震作用下，结构会进入塑性变形，结构裂缝迅速发展从而导致结构的刚度矩阵发生改变，结构的内力也会发生内力重分布，这是静力分析无法解决的问题。因此，必须要进行动力弹塑性分析。动力弹塑性分析是对大震作用下的建筑结构抗震性能分析的一种常用的方法，建筑的抗震构造措施的做法则是基于大量的工程经验、理论分析、实验研究的结果。我国对于建筑抗震设计的

3、研究始于20世纪的70年代的河北唐山大地震之后，通过分析框架、剪力墙结构构件的恢复力特性试验结果，总结出一些经验、理论公式，并编制了动力弹塑性分析软件。21世纪初，我国的学者开始学习欧美国家开发的三维结构分析软件，并将这些软件大量的用于建筑工程中,依据弹塑性分析软件，建立三维建筑结构分析的模型，对模型进行计算假定，选择材料本构关系、积分方法等，对结构进入塑性阶段后的塑性变形、内力发展进行分析，发现结构的薄弱部位，并依据分析的结果采用构造措施提高结构的抗震性能。二、动力弹塑性分析的原理和主要内容（一）动力弹塑性分析原理根据结构动力计算微分方程其中M为结构的质量矩阵，K为结

4、构的刚度矩阵，，，分别为t吋间质点对应的加速度、速度及位移，F为对应的地震力作用。在结构构件弹性工作状态下，结构的内力的计算可采用震型叠加法进行计算。在结构进入塑性工作状态后，结构的质量、刚度矩阵都时刻在发生变化，这时震型叠加法不再适用，可采用直接积分法计算结构构件在塑性状态下的内力。采用积分计算结构内力时，由于隐式算法（常采用Newmark算法）在结构非线性程度比较严重时，不易收敛，故通常采用显示算法中的中央差分法，避免了结构非线性程度变化过大吋的刚度矩阵不收敛等问题。（二）动力弹塑性的主要内容1、材料本构关系结构的最终变化取决于材料的本构关系，因此合理选择结构材料的

5、本构关系对结构的弹塑性分析来说显得十分重要，混凝土塑性损伤模型与实际往复受力作用下的混凝土损伤变化特征相似，故选择（GB50010-2010）《混凝土结构设计规范》推荐的混凝土塑性损伤模型。钢筋则选择双折线弹塑性模型。如下图所示：2、塑性铰滞冋规则在结构的弹塑性分析中，一般采用塑性铰的滞冋规则来模拟结构构件的恢复力特性，根据不同的内力成分关系，可分为单轴铰模型和多轴铰模型，单轴绞各内力成分间相互独立，多轴铰模型的弯矩分量由PMM屈服面决定，与轴力相关；轴力的刚度折减系数与弯矩相关。如下图：3、地震波的选择根据jGj3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》规定:应按照建

6、筑场地类别和设计地震分组选择实际地震记录和人工模拟的加速度吋称曲线，，其中实际地震记录的数量不应少于总数量的2/3,多组吋程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符；弹性吋程分析吋，每条吋程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%,多条吋程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。地震波的选择控制参数主要冇：地震烈度、地震强度参数、土壤类别、卓越周期等，结语：建筑结构的弹塑性分析是一个比较复杂的计算过程，在进行高层建筑设计时一定要注意选择合适的计算模型对结构进行模拟，保

7、证模型的计算结果符合实际的受力情况。参考文献：［1］王伟.复杂高层建筑结构动力弹塑性分析方法及其应用.［」］.建筑结构.2012(11)［2］王森.魏琏.孙仁范等.动力弹塑性分析在建筑抗震设计中应用的若干问题.建筑结构.2014(06)［3］王智军.王斌.李银文.结构动力弹塑性分析地震波的选取原则.［j］兰州理工大学学报.2013(08)