复杂高层建筑弹塑性动力研究

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1、复杂高层建筑弹塑性动力研究　　摘要：我国是一个多地震的国家，强震分布十分广泛。通过对复杂高层建筑结构弹塑性动力分析方法的介绍，并结合工程实例，说明工程常用软件PKPM、ANSYS对复杂高层建筑进行弹塑性动力分析的可行性和必要性。关键词：复杂高层建筑；PKPM工程软件；ANSYS工程软件；弹塑性地震反应分析中图分类号：TU97文献标识码：A随着体型复杂、不规则的高层建筑大量出现，研究复杂体型高层建筑在地震作用下的反应，不仅可以促进结构理论的发展，而且可以丰富建筑创作的领域。一、复杂高层建筑结构弹塑性动力分析方法（一）、地震时高层建筑结构弹塑性分析结构在强烈

2、地震作用下，结构就会进入弹塑性阶段，结构刚度就会产生变化，塑性内力出现重分布。对高层建筑结构的弹塑性变形计算和研究，进行结构的弹塑性分析非常有必要。1、弹塑性结构分析方法分类目前，结构的弹塑性分析主要分为弹塑性静力分析和弹塑性动力分析两大类。8弹塑性动力分析是在计算大震作用下，采用动力时程分析法对结构反应特性进行的弹塑性分析，即作为弹塑性振动系统，将建筑物地面地震加速度记录直接输入，直接积分运动方程，从而获得系统各质点的速度、位移、结构构件地震剪力和加速度的时程变化曲线。时程分析法考虑了结构的动力特性即加速度有效峰值、动频谱特性和有效持续时间三要素，因而

3、在强烈地震作用下该方法完整地反映出结构反应的全过程状况，有利于快速寻找结构抗震的薄弱环节。2、弹塑性梁单元建立梁元的局部坐标系如图1所示，假定梁的任一截面在变形后仍然保持为平面，且始终保持与中性轴垂直，所以，位移是y、z的一次函数。位移沿x轴采用三次Hermit插值。位移模式的变化主要体现在中轴线的位移，对于一般的杆件，中轴线的位移模式：图1梁单元坐标系令u，v，w分别表示单元任意一点沿x，y，z轴的位移，则　　一般杆单元中都忽略了y和z方向的正应力和剪应力，只考虑x方向的正应力，使问题由三维降为一维问题。本程序也采用同样的假设。3、梁单元的位移模式图2

4、混凝土应力-应变关系的4种模式84、弹塑性分析在工程设计实践中的应用近年来，我国的广大研究和设计人员也进行了大量的工作，已开发了一些可以应用于工程设计的程序，如PKPM、ANSYS等，已将弹塑性分析提上了抗震设计日程。ANSYS是一种力学软件，它具有若干个模块，可以进行结构的静力分析，可以考虑结构的线性及非线性行为。ANSYS软件的功能强大广泛应用于复杂工程的计算分析中。在我国设计院中广为使用的PKPM软件，结构弹塑性分析能力非常强大，它提供了层模型和二维平面模型两种分析方法。将结构离散成一系列相互独立的“平面框架”是二维平面模型，这种模型适用于刚度几何

5、布置、分布均匀规则的结构。PKPM软件也可以对复杂高层建筑结构进行比较精确的分析。（二）、高层建筑在罕遇地震作用下的弹塑性变形验算多年来国际地震工程界的大量的震害经验及理论研究表明，在设计地面运动下建筑结构的变形值对结构的性能水平一般可以很好地体现，因而在结构性能或结构变形的抗震设计方法的基础上是一种有效的抗震设计方法而被地震工程界公认为。基于结构变形的抗震设计的两个最主要任务是建筑功能的结构变形容许值确定实现预定和在给定地震作用下如何合理计算结构的位移反应。8目前对那些规范要求突破的高层建筑结构在工程设计中，一般要进行罕遇地震作用下的层间弹塑性变形验算

6、。当罕遇地震发生在一个结构上时，必将在结构的某些关键部位有塑性变形发生，在实际震害中这样可能导致结构出现严重破坏或倒塌由于塑性变形过大，特别是沿结构的竖向那些刚度或强度有较大突变，或明显不对称的结构沿平面内分布。二、工程实例下面对某工程的复杂结构进行详细的分析，从而得出对该复杂结构体系进行动力特性研究分析的必要性。（一）、工程概况该工程总建筑面积为32311m2，地面主楼12层，另附一层架空层，地下一层，建筑高度49.95m，建筑主体结构合理使用年限为50年，框架—剪力墙结构，设防烈度为6度，防水等级为二级。平面图见图3。　　图3平面图（二）、抗震设计该

7、工程设计基本抗震加速度为0.05g，抗震设防烈度为6度，设计抗震分组为第一组。建筑物场地类别为Ⅱ类，建筑抗震设防类别为丙类，建筑安全等级为二级。同时，剪力墙抗震等级为三级，框架抗震等级为四级。因建筑体L型部分属不规则平面，为合理其结构抗震要求，按二级和三级抗震分别设计部分剪力墙及框架。（三）、布置分析81、布置平面分析整个结构分为四部分：Ⅰ部分为L形，共12层，框架-剪力墙结构体系；Ⅱ部分为规则的长方体，共12层，也为框架-剪力墙结构体系；Ⅲ部分为筒体结构；其中Ⅰ和Ⅱ结构中间设有变形缝；Ⅳ部分为大空间结构形式，在最顶层其中为网架结构。《高层建筑砼结构技术

8、规程》（JGJ3—2010）中规定，对于6度设防的建筑，该工程L形部分L/B≤6