静力弹塑性性分析基本原理PPT课件

1、方法方法优缺点优缺点应用程序应用程序主要区别主要区别静力弹塑性静力弹塑性分析分析方法简单，便于理解。与时程分析法相比,Pushover方法概念清晰,实施相对简单,同样能使设计人员在一定程度上了解结构，在强震作用下的反应,迅速找到结构的薄弱环节。midasmidas能直接做剪力墙结构sapsap、etabsetabs墙需要用组合框架代替，操作复杂。pkpmpkpm没有振型的加载方法。动力弹塑性动力弹塑性分析分析对软硬件要求比较高，计算时间长，结果不便于整理，但能真实的反应结构在大震下的状态。midasmidas只能做杆系结构sapsap、etabsetabs只能做杆系结构pkpmpkpm可以做墙

2、元。abaqusabaqus一般采用纤维墙元模拟。第1页/共41页第2页/共41页n Pushover分析是考虑构件的材料非线性特点，分析构件进入弹塑性状态直至到达极限状态时结构响应的方法。n Pushover分析是最近在地震研究及耐震设计中经常采用的基于性能的耐震设计(Performance-Based Seismic Design, PBSD)方法中最具代表性的分析方法。n 所谓基于性能的耐震设计就是由用户及设计人员设定结构的目标性能(target performance)，并使结构设计能满足该目标性能的方法。n Pushover分析前要经过一般设计方法先进行耐震设计使结构满足小震不坏、中

3、震可修的规范要求，然后再通过pushover分析评价结构在大震作用下是否满足预先设定的目标性能。 第3页/共41页n Pushover分析是通过逐渐加大预先设定的荷载直到最大性能控制点位置，获得荷载位移能力曲线(capacity curve)。PushoverAnalysisCapacity SpectrumdSaSSDOF Systemroof roof Capacity CurveMDOF SystemtransformFbaseVbaseV第4页/共41页n多自由度的荷载位移关系转换为使用单自由度体系的加速度位移方式表现的能力谱(capacity spectrum)，地震作用的响应谱转换

4、为用ADRS(Acceleration-Displacement Response Spectrum)方式表现的需求谱(demand spectrum)。Demand Spectrumn,2Ta22ndS4TS n,1TnTdSaSaSResponse Spectrumtransformn通过比较两个谱曲线，评价结构在弹塑性状态下的最大需求内力和变形能力，通过与目标性能的比较，决定结构的性能水平(performance level)。5% ElasticSpectrumPerformance PointDemand SpectrumCapacity SpectrumaSdSmaxDmaxA第5

5、页/共41页分析目的分析目的经Pushover分析后,得到性能点,根据性能点时的变形,对以下三个方面进行评价:1)顶点侧移 是否满足抗震规范规定的弹塑性顶点位移限值2)层间位移角 是否满足抗震规范规定的弹塑性层间位移角限值。3)构件的局部变形 是指梁、柱等构件塑性铰的变形,检验它是否超过建筑某一性能水准下的允许变形操作步骤操作步骤-静力分析后进行配筋设计，并更新配筋-定义静力弹塑性分析主控数据-定义静力弹塑性分析工况-定义铰特性值，并分配铰-计算并查看静力弹塑性分析结果第6页/共41页建模及进行静力分析建模及进行静力分析 步骤同步骤同“钢筋混凝土结构抗震分析及设计钢筋混凝土结构抗震分析及设计”

6、第7页/共41页更新配筋更新配筋对于梁柱，“排序”选为“特性值”，“更新配筋”项激活点“全选”按钮可自动勾选构件别忘了最后更新配筋方法1 1：利用程序配筋设计的结果 作用：将配筋结果赋予构件，做PUSHOVER分析时需要用到截面实配钢筋结果。 第8页/共41页对于墙，“排序”选为“墙号层”， “更新配筋”项激活更新配筋更新配筋第9页/共41页更新配筋更新配筋勾选要编辑验算的构件截面方法2 2：利用用户定义的配筋结果若在此编辑验算用截面，则构件的最终实配配筋结果采用此定义的第10页/共41页PushoverPushover荷载工况荷载工况 PushoverPushover荷载工况涉及的两个问题

7、A、如何推？B、推到何种程度?第11页/共41页PushoverPushover荷载工况荷载工况 MIDAS/GenMIDAS/Gen中提供两种中提供两种PushoverPushover分析方法，即分析方法，即基于荷载增分基于荷载增分的荷载控制的荷载控制法法和和基于目标位移的位移控制法基于目标位移的位移控制法。MIDAS/GenMIDAS/Gen的荷载控制法采用全牛顿拉普森（Full Newton-Raphson）方法。牛顿拉普森方法是采用微分原理求解的方法，其优点是速度快。采用荷载增分的Pushover分析方法的图形介绍如下。分析获得的最终荷载(坍塌荷载) Qu弹性极限预测的坍塌荷载Qud*

8、X 等差级数对应的增分荷载位移荷载将最终(n+1)步骤的增分量作为后面的增分荷载 基于荷载增分法的Pushover分析第12页/共41页PushoverPushover荷载工况荷载工况 基于目标位移的位移控制法MIDAS/Gen的位移控制法是由用户定义目标位移，然后逐渐增加荷载直到达到目标位移的方法。目标位移分为整体控制和主节点控制两种，整体控制是所有节点的位移都要满足用户输入最大位移，位移也是整体位移，不设置某一方向的位移控制。主节点控制是用户指定特定节点的特定方向上的最大位移的方法。基于性能的耐震设计大部分是先确定可能发生最大位移的节点和位移方向后给该节点设定目标位移的方法。初始的目标位移

9、一般可假定为结构总高度的1%、2%、4%。这些数值一般相当于最大层间位移值，与结构的破坏情况相关。第13页/共41页PushoverPushover荷载工况荷载工况 输入大于1的整数（nstep=1)推荐最小输入20(默认值： 20)输入步骤数输入步骤数选择考虑则使用PUSHOVER主控数据中定义的初始荷载当使用PMM类型(考虑轴力的变化)铰时，需要更新铰的屈服强度，此时应选择考虑初始荷载。选择是否考虑初始荷载选择是否考虑初始荷载选择是否考虑选择是否考虑P-DeltaP-Delta分析分析选择增量控制方法选择增量控制方法： 荷载控制、荷载控制、位移控制位移控制定义定义PUSHOVERPUSHO

10、VER荷载工况荷载工况第14页/共41页PushoverPushover荷载工况荷载工况 最大位移一般为 总高度弹塑性层间位移角限值，参见建筑抗震设计规范 条选择基本模态作为Pushover荷载的分布模式 周期与振型结果窗口第15页/共41页PushoverPushover荷载工况荷载工况 终止分析条件终止分析条件0.01.0sC可以获得稳定解的区段荷载增量很难获得稳定解Cs接近0.0时，将自动终止分析 当前刚度比当前刚度比 弹性弹性( (线性线性) )：Cs = 1.0Cs = 1.0 到屈服极限到屈服极限 ：1.0Cs0.01.0Cs0.0 负区段负区段 ：CsCs0.00.0第16页/共

11、41页PushoverPushover荷载工况荷载工况 当前刚度比当前刚度比 変位増分変位増分 1 Column 刚度折减率：0.00.0理想弹塑性 分析模型分析模型 位移控制结果位移控制结果： 可获得稳定解可获得稳定解 荷载控制结果荷载控制结果：屈服后的刚度为屈服后的刚度为0.00.0，所以无法获，所以无法获得稳定解得稳定解Gen V730(NEW)Gen V730(NEW)每个步骤中都会计算当前刚度比，当前每个步骤中都会计算当前刚度比，当前刚度比为刚度比为0.00.0时将自动停止分析。时将自动停止分析。第17页/共41页PushoverPushover荷载工况荷载工况 加载方式FEMA-2

12、73推荐三种形式: 1)均匀分布:各楼层侧向力可取所在楼层质量； 2)倒三角形分布:结构振动以基本振型为主时的惯性力的分布形式,类似于我国规范中用底部剪力法确定的侧向力分布； 3)SRSS分布:反应谱振型组合得到的惯性力分布。midas程序提供了自定义分布、均匀加速度分布和振型荷载分布三种加载方式均匀加速度分布：提供的侧向力是用均一的加速度和相应质量分布的乘积获得的；振型荷载分布：提供的侧向力是用给定的振型和该振型下的圆频率的平方(2)及相应质量分布的乘积获得的,可以取任何一个振型其中,均匀加速度方法相当于均匀分布,振型荷载分布方法,当取第一振型时,相当于倒三角分布，用户也可以自定义水平力。采

13、用振型荷载分布要有振型分析。第18页/共41页PushoverPushover主控数据主控数据在PUSHOVER 荷载工况中选择考虑初始荷载。 考虑轴力变化的影响时需要考虑初始荷载定义初始荷载定义初始荷载适用于所有PUSHOVER荷载工况定义收敛条件定义收敛条件定义PUSHOVER铰的刚度折减率默认值： 在此修改默认值后点击确认键，则所有铰的刚度折减率都将自动修改。设置刚度折减率默认值设置刚度折减率默认值自动计算具有分布型铰特性的梁单元自动计算具有分布型铰特性的梁单元的屈服强度时，需要参考特梁单元某个的屈服强度时，需要参考特梁单元某个位置的特性位置的特性( (如配筋如配筋) ) I I端、端、

14、J J端、中端、中心心第19页/共41页MIDAS/GenMIDAS/Gen中铰特性的说明中铰特性的说明二维梁单元和三维梁柱单元模型桁架单元模型桁架单元模型 定义铰特性值第20页/共41页MIDAS/GenMIDAS/Gen中铰特性的说明中铰特性的说明 三维墙单元模型三维墙单元模型由中间的线单元，上下两端的刚性杆构成。中间的线单元与三维梁柱单元相同，刚性杆在xz平面内做刚体运动。 EtabsEtabs、sapsap中墙元的处理方法。中墙元的处理方法。 柱子：定义铰特性值 链杆:斜支撑：第21页/共41页定义铰特性值定义铰特性值 弯矩弯矩- -旋转角旋转角(M-)(M-)本构单元本构单元 弯矩弯

15、矩- -曲率曲率(M-)(M-)本构单元本构单元： 集中型、分布型集中型、分布型 桁架单元桁架单元（轴力轴力) )内力成分铰特性初始刚度铰位置FxFx（轴力）轴力-位移（相对位移）EA/L单元中心Fy, FzFy, Fz（剪力）剪力-剪切应变GAs单元中心（扭矩）弯矩-旋转角GJ/L单元两端y, y, z z（弯矩）弯矩-旋转铰6EI/L,3E/L,2E/L单元两端内力成分铰特性初始刚度铰位置FxFx（轴力）轴力-应变EA积分点位置Fy, FzFy, Fz（剪力）剪力-剪切应变Gs积分点位置（扭矩）弯矩-曲率GJ积分点位置y, y, z z（弯矩）弯矩-曲率E积分点位置内力成分铰特性初始刚度铰

16、位置FxFx（轴力）轴力-位移（相对位移）EA/L单元中心一般连接单元一般连接单元内力成分铰特性初始刚度铰位置FxFx（轴力）轴力-变形（相对位移）用户输入（EA/L）单元中心Fy, FzFy, Fz（剪力）剪力-变形（相对位移）用户输入（Gas/）单元中心（扭矩）弯矩-旋转角用户输入（GJ/L）单元中心y, y, z z（弯矩）弯矩-旋转铰用户输入（EI/L）单元中心第22页/共41页定义铰特性值定义铰特性值MM铰（铰（FEMAFEMA）选择屈服强度的输入方法选择I、J端的特性是对称还是非对称单元两端特性为非对称时在此输入输入M/MY、D/DY输入屈服强度选择受拉和受压区段特性是否相同输入容

17、许标准用户输入屈服变形(新增)输入初始刚度(新增)1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 12 23 34 45 56 67 78 89 9第23页/共41页定义铰特性值定义铰特性值PMM PMM 铰（铰（FEMAFEMA） 选择选择P-M-MP-M-M类型时将自动勾选类型时将自动勾选My-MzMy-Mz内力成分内力成分- -P-M-MP-M-M类型仅适用于梁柱单元和墙单元类型仅适用于梁柱单元和墙单元- 膜类型的墙单元只能定义面内成分My的非线性特性(面外为弹性)1 1选择骨架曲线类型选择骨架曲线类型：MyMy和和MzMz只能选择同样类型的曲线只能选择同样类型的曲线PMMPM

18、M铰的刚度折减系数在屈服面特性窗口中进行设置。铰的刚度折减系数在屈服面特性窗口中进行设置。2 21 12 2屈服面特性窗口屈服面特性窗口3 33 3选择屈服面特性的计算方法选择屈服面特性的计算方法4 44 4定义刚度折减系数定义刚度折减系数5 55 56 66 67 77 7铰类型中即使选择了用户输入也不能修改屈服强度 实际分析中并不使用该值。屈服强度的定义屈服强度的定义： 自动计算时不必用户输入自动计算时不必用户输入 考虑轴力变化的影响时，在各步骤计算中都将考考虑轴力变化的影响时，在各步骤计算中都将考虑变化的轴力对屈服面的影响。虑变化的轴力对屈服面的影响。定义屈服面定义屈服面： 自动计算时不

19、必输入自动计算时不必输入第24页/共41页分配分配PUSHOVERPUSHOVER铰特性值铰特性值 用鼠标选择要分配的特性后用鼠标选择要分配的特性后拖放拖放到模型画面上到模型画面上分配了铰特性的单元上将显示铰标签分配了铰特性的单元上将显示铰标签 注意事项注意事项选择的单元类型与铰特性不匹配时不能分配选择的单元类型与铰特性不匹配时不能分配一般连接单元一般连接单元不能使用鼠标拖放功能分配铰特性不能使用鼠标拖放功能分配铰特性第25页/共41页修改修改PUSHOVERPUSHOVER铰特性值铰特性值 修改已定义的修改已定义的PushoverPushover铰特性的方法铰特性的方法 最常用的方法，推荐方

20、法最常用的方法，推荐方法修改修改“MM”MM” 一次性修改多个单元的铰特性在定义铰特性值窗口中直接修改 则被分配了该特性的单元的铰特性值将同时被修改 “定义铰特性值”: 可以修改铰特性的所有内力成分被分配了“MM”特性的所有单元的特性将被同时修改1 12 21 12 2第26页/共41页查看分配的铰查看分配的铰Gen V712(Gen V712(旧版本旧版本) )Gen V730(Gen V730(新版本新版本) )第27页/共41页运行静力弹塑性分析运行静力弹塑性分析第28页/共41页查看静力弹塑性分析结果查看静力弹塑性分析结果查找性能控制点第29页/共41页查看静力弹塑性分析结果查看静力弹

21、塑性分析结果性能控制点性能控制点所对应的结构相关结果查找性能控制点第30页/共41页查看静力弹塑性分析结果查看静力弹塑性分析结果性能控制点确定方法Procedure-AProcedure-A是ATC-40中提供的基本方法，首先将能力谱中斜率为初始刚度的切线和阻尼比为5%的弹性设计响应谱的交点作为初始的性能点。然后确定初始性能点位置的等效阻尼，然后求使用有效阻尼系数的非线性设计响应谱，然后重新计算交叉点作为性能点。重复上述过程，直到在使用有效阻尼系数的非线性设计响应谱和能力谱的的交点位置上位移响应和加速度响应的变化量在误差范围内，将此时的交点视为性能点。采用Procedure-A方法确定性能点的方法参见下图。 第31页/共41页查看静力弹塑性分析结果查看静力弹塑性分析结果性能控制点确定方法Procedure-B ATC-40中计算性能点的第二种方法是首先假设位移延性比，然后计算对应延性比的结构的结构的有效周期，将有效周期直线和5%弹性设计响应谱的交点作为初始的性能点。对弈于假定的位移延性比的放射线状的有效周期和非线性设计响应谱的交点将形成一个轨迹线，该轨迹线与结构的能力谱的交点为最终的性能点。第32页/共41页PushoverPushover图形层剪力图形层剪力查看静力弹塑性分析结果第33页/共41页PushoverPushover图形层间位移角图形层