高层结构动力弹塑性时程分析的方法研究

1、第二十届全国高层建筑结构学术会议论文年高层结构动力弹塑性时程分析的方法研究安东亚李承铭（上海现代建筑设计（集团）有限公司，上海）提要介绍了开展弹塑性时程分析研究的必要性、现代集团结构分析与设计研究学科中心开展此项研究的情况，并结合实际工程阐述了在计算分析过程中需要重点注意的几个具体问题及一些工程感受，最后展望了今后开展工作的方向。关键词弹塑性：时程分析弹塑性时程分析的必要性随着建筑高度迅速增长，复杂程度日益提高，完全采用弹性理论进行结构分析计算和设计已经难以满足需要，弹塑性分析方法显得日趋重要。历史上的多次震害也证明了弹塑性分析的必要性：年日本的十栅冲地震中不少按等效静力方法进行抗震设防的多层

2、钢筋混凝土结构遭到了严重破坏，年美国地震、年日本大分地震也出现了类似的情况。相反，年墨西哥城地震中层的许多建筑物遭到破坏，而首次采用了动力弹塑性分析的一座层建筑物却安然无恙，年该建筑又经历了一次级地震依然完好无损。建筑抗震设计规范条规定，对于特别不规则的结构、板柱一抗震墙、底部框架砖房以及高度不大于的高层钢结构、度三、四类场地和度乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构宜进行弹塑性变形验算。对于高度大于的钢结构、甲类建筑等结构应进行弹塑性变形验算。高层建筑混凝土结构技术规程条也规定，对于级高度的高层建筑结构和复杂高层建筑结构，如带转换层、加强层及错层、连体、多塔结构等，宜采用弹塑性静力或动力分析方法

3、验算薄弱层弹塑性变形。目前国内开展弹塑性分析研究的情况随着人们对弹塑性分析认识程度的不断加深，以及计算机软硬件的迅猛发展，给动力弹塑性分析带来了更大的发展空间。目前国内很多高校和一些大的设计院以及一些专业的咨询公司都在大力开展动力弹塑性分析的研究工作口翔。高校的研究偏重于理论，设计院和专业咨询公司则更注重于方法的实用性研究，从生产需求开始，真正致力于一项专项应用技术的开发。学科中，开展弹塑性分析与研究的情况现代集团下属各大设计院很多工程项目都是国家重点工程或者超高、超限的复杂工程，这些结构都对计算分析有特殊的要求，很多时候需要进行动力弹塑性分析。集团结构分析与设计研究学科中心是集团重点建设的专

4、业团队，其开展各项研究的目的就是要服务于集团所属设计院，服务于一线生产，因此安东亚，男。出生，硕士，助理工程师一挪¨¨厶筑掏学会论女年有责任义务动力掸目性分析技术腱作，并逐步达刮行、领水平。前学科巾心住设领域纤进行系列的应川划究，并仍神进仃皿血深入竹】完善的研究作。已绎完成的其儿个，程匪联雕默卜邕圃目训吲凡冉托稚大膨叼幽一电视塔目厨罔际建发艇纠大连菜超岛联公寓弹塑陀¨算与弹性计竹柏较人器别，正论是汁算软件的选样模型的建。、算过程的调粘、还是结果的处“分析等，自自前耍特别注盘的地与在以上。程项的完成过程中，就存很多弹目。肚分析的性叫趣，返蛰站台人迕柴趟高层公寓结构塍

5、开讨论，弹塑生时程分析过程中需要重点考虑的几个问题软件的选择首先是汁算软件的选择问题，一般设汁软什删重【程设计，掸型件分析方面弗非强项，所以竖选择适合做弹靼性分析的大型通用宵限儿软件。日自口常用的适做结构惮颦性分析的软件硝和，木身纯件的功能比较强人缺少川盟的弹掣睢滩凝小构咒系，刈混凝整体结树弹唧性分析略¨雕，似址它捉供世的输入山式，¨】打使川侄的编处日法，刈纯制坫构“肿”蛔性叫程分析址比较台的】的啦项就芷呐纯忡功能，其乖身也提供舟部分儿的批戕拌嘲陀小柑天乐，【允川户外发的¨料槿刊外呐衅竹后处娜，蛭川】的【，这州丹世水槲刘较刚八存一能小易，摧大畦粜趟“膳公为钳筋，魁

6、结构，往脱订的祭“我”进川鞍什。模型的准备这分作往牡个忡吼分目过样所佗业的精力址最大的也是仃必业花人。力投入部分内弈川为处删的蔷，撇甜，”、，接搭帕分能顺利进十，肚仝搿【缩吊舯好坏，以崖址行斤便键耳（所需螋的结玳。胜曲山弹】眭州程分忻是拒订小的设计性删的罐础进行油，比如模“或肯模虮粜是初步冉粜阶段的睦，也，自卅监段“接椰竹方雍。这重点淡相世¨模型以后址如十进的。方恤起见，我们把啦¨软件巾，的模州称为弹陀模型。为了保持和弹性模型的致，般是通工尘软什之问的转化，褂到所需拦的惮型什拨掣。值甜提卅的是通用南儿群埘模剞建立的要求比较苛刘，“几讯多舟设轼件一便使川的概念和功能订这。邪足

7、没仃的，比如楼；的概念，率身都足小斋的，这就拦我们根捌坚做粜些特定硅胃来实现层概念的功能，以便加域耵进行盯处础。模型的简化利川埴埘打限兀榭序进“弹颦他分析，脞需蛭嗡铖分皿缃的竹，业叫格，肌训筋的考，结构埘横弹什模艰般揶会增凡儿倍所以必蛭抓住上匹矛盾结构进简化比如删柿些次要的杜州。结构。罔、硅小了大连柴趟埘膳公寓简化后的札、层面。股遵循帕燎则址惮时卦，构上篮胆投柑什上抖次要承找构件删掉淡蛾构件的旧时监慊科所删件的重鞋以披儿的打”荷找批，叩监将次篮构什的口巾茼城肝转移到与连的十体始；：嚣乩一静舟的单儿多时性人小小有限元网格的重新划分转化过柬的幔小能九接使川的原上蛭“曲个其许多啦元下备崩划小齐理并虑

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9、，保证其与原始叶订模型在几个关键方面的一致性总质量、恒载反力、活载反力、周期、振型等。只有保证了这几项基本参数的一致才能继续进行下去。大连某超高层公寓校核的结果见表、表表不同程序结构自振周期模态结构周期（）表不同程序结构底部竖向反力荷载工况恒载活载基底反力（斟）材料的准备一本构关系的选择、钢筋、暗柱、钢骨混凝土、钢管混凝土的处理本构关系的合理模拟是弹塑性分析的一个重点也是难点。钢筋的弹塑性本构关系比较简单，一般选用两折线随动硬化模型，考虑包辛格效应，在循环过程中无刚度退化。八图钢材本构模型一一一簟八、一乞（卜）队。图混凝土损伤模型混凝土的材料相对复杂，一般按混凝土结构设计规范附录表采用。但是程

10、序本身并不支持在梁单元中使用该模型，这就需要开发用户子程序来实现该材料模型；对于钢管混凝土第二十届全国高层建筑结构学术会议论文年还要考虑套箍作用对混凝土屈服强度的提高，也需要自己进行一些相应的开发口一。阻尼的考虑阻尼和的合理考虑也是一个值得探讨的话题，一般在罕遇地震弹塑性时程分析中，材料塑性变形带来的耗能作用远远大于预先输入的初始阻尼比的影响，因此如果不输入初始阻尼比影响可能不大。但是如果结构在大震下进入塑性的程度较小，对有些刚度较大的大跨度屋盖就是如此，这时候不考虑初始阻尼可能会带来较大的影响。一般使用比例阻尼就基本可以满足工程需要，但是阻尼设置对动力弹塑性时程分析的收敛会造成障碍，或者在显

11、示动力分析中影响最小时间步长。所以阻尼究竟如何设置仍是需要研究的一个问题。地震波的选择地震波的选择对分析结果影响的程度也比较大，不同地震波带来不同的结构响应。对于一些重大工程一般是根据安平报告并结合规范进行选取。大连某超高层公寓结构在地震波选取上出现了多次讨论，开始设计院提供了几组人工波和天然波，但经过傅立叶变换发现其频谱特性和规范谱相差较大，特别是在结构主要周期区域不统一。经过几次反复调换最终确定了比较合适的几组地震波。图最初提供的地震波频谱特性试算的重要性图最终采用的地震波频谱特性所有准备工作完毕，不要着急计算，建议先进行一下试算。试算有三个目的，首先是程序对模型的检查，看看能否正常进行：

12、其二是对计算时间的测算，根据设置的最小时间步长测算计算一组地震波所需要的总时间，看看是否在可接受的范围内，如果时间太长就要在满足精度的前提下增大步长；其三是检查结果文件的大小，根据所计算的步数测算整个计算过程结束后结果文件的大小，看看是不是在自己硬盘允许的范围内，对于超大规模的计算可能计算结果文件会在几个甚至几十个，如此庞大的单个文件有可能导致硬盘爆出，如果试算中测算下来是这样的结果，就需要更改输出项的设置，将结果中不感兴趣的项目设为不保存。如此下来就可以进行计算了。大连某超高层公寓试算后的结果为：单元数，节点数，总自由度；一组地震波的单次计算时间约为个小时；单个结果文件约计算中断、问题查询、

13、解决方法等计算过程中需要不断关注进程。因为很难预测会出现什么样的错误导致计算中断，这个时候出错原因的查询以及问题的解决都需要非常丰富的经验。总之出错和反复调整是小可避免的，有时候一个问题可能需要几天时间来解决，这就要求我们保持良好的心态，正确对待工作中的任何难题。第二十届全国高层建筑结构学术会议论文年结果的提取和分析计算结束后，只能说工作进行了一半，接下来是复杂的结果提取和分析。一般我们首先要关注结构是不是倒塌，然后是详细的一些数据，比如结构的整体位移、层间位移角、基底剪力、剪重比、主要构件的塑性变形以及损伤程度，以及塑性发展的过程等等。这些结果有些是程序可以直接提供的，有些则需要用户自己编制

14、一些批处理的命令或者脚本文件来实现，毕竟通用计算程序没有专业设计软件来得方便。所有这些结果只要程序掌握得足够熟练都是可以得到的，困难的是对这些结果的评判和分析，如何拿这些结果对设计进行指导，以及能否对结构体系布置提出具体的建设性的修改建议。这就要求分析人员不但要具备较高的计算技能，更要有丰富的工程经验。通过对大连某超高层公寓在几组罕遇地震波作用下计算结果的详细分析，验证了该结构大震不倒的可靠性，给出了整个结构塑性发展的顺序和发展程度，明确了筒体之间连梁首先发生破坏可以成为一道抗震防线，同时发现沿结构高度剪力墙变厚度和改变材料强度等级的部位有较严重的集中塑性应变、剪力墙边缘构件作用效果明显、结构

15、顶部的鞭梢效应使整个结构的最大塑性区发生在该区域等，根据计算结果我们给设计方提出了一些积极的建议，对设计方案进行了几处有益的调整。保持与设计人员顺畅沟通弹塑性分析过程中与设计人员的有效沟通是很必要的。很多时候设计方案要不断的进行调整，如果调整影响到结构的主要性能我们就不得不更改弹塑性的计算模型，很可能整个建模过程要从头再来一遍，这将使狴个弹塑性分析的过程变得十分辛苦。在交流的过程中还要及时了解设计人员所关心的问题，比如哪些部位是他们重点想了解的，以便根据需要提供更多具有针对性的结果。通过交流也从设计入员那里学到一些设计方面的知识，对于今后开展计算分析也很有益处。今后的发展随着研究的不断开展与深入，动力弹塑性分析逐渐应用到各种复杂的结构当中，越来越多的被工程人员接受。目前研究的重点主要有两个，一是提高动力弹塑性计算结果的可信程度，二是完善计算结果对工程设计的指导，让计算结果更具工程价值。这就需要在计算中考虑更多影响结果的因素，使一些关键因素的模拟更加合理，