抗震专题2-时程分析2

1、抗震专题2-时程分析2第一页，共54页。内 容时程分析Why 时程分析？Whats 时程分析？时程分析理论时程分析要素时程分析工况定义时程分析结果查看第二页，共54页。midas CivilWhy 时程分析？抗震规范对于非规则桥梁的E2地震作用有使用时程分析方法分析的要求。而且非规则桥梁的塑性铰转动能力验算是需要用时程分析得到塑性转角。非线性抗震分析方法可分为非线性静力分析方法和非线性动力分析方法。由于静力弹塑性分析存在反映结构动力特性方面的缺陷、不能考虑荷载往复作用效应等原因，在需要精确分析结构动力特性的重要结构上的应用受到了限制。第三页，共54页。midas CivilWhats 时程分析

2、？非线性时程分析（Nonlinear Time History Analysis）是将构件的非线性恢复力特性，通过滞回曲线，分析结构随时间响应的动力分析方法。第四页，共54页。midas Civil非线性时程分析原理第五页，共54页。midas Civil非线性时程分析原理第六页，共54页。midas Civil非线性时程分析原理第七页，共54页。midas Civil非线性时程分析原理第八页，共54页。midas Civil非线性时程分析原理第九页，共54页。midas Civil非线性时程分析原理第十页，共54页。midas Civil时程分析要素时程分析地震作用（地震波）弹塑性构件（弹塑

3、性铰：骨架/纤维）边界非线性单元（减隔振支座等）第十一页，共54页。midas Civil时程分析要素地震作用- 地震波选取第十二页，共54页。midas Civil时程分析要素地震作用- 地震波选取建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）第十三页，共54页。midas Civil时程分析要素地震作用- 地震波选取确定实录波的特征周期Tg因为拟相对速度反应谱PSV和拟绝对加速度的反应谱PSA之间有近似关系： 则可得到特征周期 ：其中：EPA为有效峰值加速度,EPV为有效峰值速度。有效峰值速度（EPV）:取0.1s-2秒范围的速度平均值除2.5，一般来说加速度最大值发生在中间周期范围。有效

4、峰值加速度（EPA）:取秒范围的加速度平均值除2.5，一般来说加速度最大值发生在短周期范围。第十四页，共54页。midas Civil时程分析要素地震作用- 地震波选取确定实录波的持续时间第十五页，共54页。midas Civil时程分析要素地震作用- 地震波选取峰值调整系数=设计EPA/地震EPA设计反应谱的有效峰值实录波有效峰值加速度（EPA）:取秒范围的加速度平均值除2.5，一般来说加速度最大值发生在短周期范围。第十六页，共54页。midas Civil时程分析要素地震作用- 地震波选取（1）启动Building 程序中的结构大师第十七页，共54页。midas Civil时程分析要素地震

5、作用- 地震波选取（2）根据地勘情况选择相应的分组、烈度等第十八页，共54页。midas Civil时程分析要素地震作用- 地震波选取（3）在列表中根据特征周期（实录波）及持续时间选择地震波第十九页，共54页。midas Civil时程分析要素地震作用- 地震波选取第二十页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑性铰-集中/分布第二十一页，共54页。midas Civil时程分析要素集中型铰相对于分布型铰具有计算量少的优点，但是如图所示集中型铰需要事先假定铰的分布位置，当实际情况与假设情况不符时(如弯矩最大位置不是在假定位置)，计算结果有可能出错。分布型铰虽然计算量较大但是可以相对准

6、确的反映铰的实际分布情况，因此可以得到更准确的分析结果。 弹塑性铰-集中/分布第二十二页，共54页。midas Civil时程分析要素弯矩铰的弯矩-旋转角的关系曲线不仅受端部弯矩的影响同时也受构件跨中的弯矩影响。因此为了准确定义弯矩铰的弯矩-旋转角关系需要事先假设弯矩在构件的分布状态。弹塑性铰-集中/分布第二十三页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑性铰-滞回模型构件的单向内力的荷载和变形的关系叫做骨架曲线。基于骨架曲线并考虑往复荷载作用下的卸载和加载时的荷载-位移关系称为滞回模型。动力弹塑性分析中一般使用滞回模型模拟构件的恢复力特性。 Whats滞回模型滞回模型对非线性分析结果

7、的影响较大，因此需要选择能够正确反映使用材料和构件的恢复力特性的滞回模型。第二十四页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑性铰-多轴铰滞回模型多轴铰模型多轴铰滞回模型（P-M, P-M-M）纤维模型 一般来说柱构件的轴力和两个方向的弯矩之间是相关的，虽然可以用实体单元模拟柱以反映柱的复杂的受力状态，但是仿真分析的耗时较多。为了提高计算效率一般采用多轴铰模型多轴铰模型来模拟柱的非线性状态。第二十五页，共54页。纤维模型是按梁单元建模后将梁截面分割为多个纤维，通过纤维的非线性特性来模拟构件的非线性特性的分析方法。不用分割多个单元，也可以精确分析非线性特性。midas Civil时程分析

8、要素弹塑性铰-多轴铰滞回模型多轴铰滞回模型（P-M, P-M-M）纤维模型多轴铰滞回模型的轴力和两个方向的弯矩根据屈服面定义，由塑性理论考虑轴力与两个弯矩成分的相互作用。由滞回模型定义各内力成分的判别状态，比起纤维模型判别状态所需的计算量少得多。第二十六页，共54页。midas Civil时程分析要素受弯矩和轴力同时作用的梁柱单元，特别是三维分析中轴力和两个方向的弯矩之间的内力相关关系非常复杂，对动力分析结果影响也较大。程序中提供了P-M型相关和P-M-M型相关两种相关类型。 P-M型相关关系在计算初始屈服面时，使用初始荷载引起的轴力计算屈服弯矩。此时，两个方向的弯矩相关关系被忽略。判别铰状态

9、时，轴力与两方向弯矩都是按独立的方式进行判别。P-M型相关作用 P-M-M 型相关关系在计算各时刻的屈服弯矩时，可以考虑轴力的变化计算抗弯屈服强度。各时间步骤，可以考虑协同考虑三个内力成分判别铰状态。但是，P-M-M 型相关关系中只支持随动硬化型(Kinematic Hardening type)铰特性。P-M-M相关作用 弹塑性铰-多轴铰滞回模型第二十七页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑性铰-多轴铰滞回模型3个成分可以独立定义不同类型本构，作为独立判别条件！仅能定义随动模型，My,Mz根据Fx被锁定，作为判别条件！（协同）P-MP-M-MVS第二十八页，共54页。midas

10、 Civil时程分析要素PMM-随动硬化，主要用于钢材。对于钢筋混凝土墩柱主要用武田模型。可以使用P-M相关，来考虑轴力弯矩相关关系。弹塑性铰-多轴铰滞回模型第二十九页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑性铰-纤维模型 弹塑性铰的类型可分为单轴铰模型、基于塑性理论的多轴铰模型、纤维模型。单轴铰模型不考虑各内力之间的相互影响，一般用于希望快速获得大致结果的简化计算中。多轴铰模型可考虑轴力和弯矩、以及两个弯矩间的相互影响，但是同样具有不能反映复杂受力影响的缺陷。纤维模型不仅可以准确模拟受弯构件的力学特性，而且可以考虑截面内纤维的局部损伤状态。另外纤维模型同样可以考虑轴力和弯矩、两个弯

11、矩之间的相互影响，但是因为不能反映剪切破坏，所以一般用于剪切变形不大的线单元。纤维模型的计算也是基于平截面假定的。 第三十页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑性铰-纤维模型第三十一页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑性铰-纤维模型显然，如果考虑了钢筋与混凝土的粘结滑移时，变形过程截面将不能保持平面！第三十二页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑性铰-纤维模型某个纤维的应变=（纤维截面的y轴曲率，z轴曲率，轴向应变）x (纤维距y轴位置，距z轴位置，1(各纤维相同轴力)第三十三页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑性铰-纤维模型截面不平

12、衡力通过积分各纤维的应力求得。第三十四页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑性铰-纤维模型123456注意：1. 截面和钢筋均可通过3 4 5三步导入，但前提是已经在设计中定义好截面的钢筋。2. 6步中程序默认钢筋的材料为类型1材料。3.程序支持此处自定义钢筋（上图蓝色区域）。第三十五页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑性铰-纤维模型注意：1. 2步为选择截面外框线321第三十六页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑性铰-纤维模型注意：1. 1步为选择截面外框线及上页生成的保护层内线。231第三十七页，共54页。midas Civil时程分析要素弹塑

13、性铰-纤维模型注意：即将被分割的区域会以阴影形式显示。必须注意修改材料号。1234第三十八页，共54页。midas Civil时程分析要素132第三十九页，共54页。midas Civil时程分析要素123第四十页，共54页。midas Civil时程分析要素注意：最终程序以不同颜色显示不同材料。第四十一页，共54页。midas Civil时程分析工况定义工况定义流程第四十二页，共54页。midas Civil时程分析工况定义时程荷载函数添加第四十三页，共54页。midas Civil时程分析工况定义该增量对分析结果的精度有较大的影响。按照经验时间增量一般可以取时程加载函数周期或结构振动的最小

14、自振周期的1/10sec。选择之前定义的时程荷载条件，作为先行于当前定义荷载工况的条件。根据选择的荷载条件，得到位移、速度、加速度、内力、铰的状态参数、非线性连接单元状态 参数，以此作为初始条件进行分析。第四十四页，共54页。midas Civil时程分析工况定义比例阻尼又称为古典阻尼(Classical Damping)，是指阻尼与质量或刚度矩阵成比例。一般结构的动力分析可以使用比例阻尼，比例阻尼可分解为各振型的阻尼。 非比例阻尼是指阻尼不与质量或刚度矩阵成比例，一般用于由不同材料构成的结构或具有消能减震装置的结构。非比例阻尼不能直接分解为各振型的阻尼，需要通过振型形状计算各振型的应变能和耗

15、能来计算各振型的阻尼比。 时程工况定义第四十五页，共54页。midas Civil时程分析工况定义时程工况定义第四十六页，共54页。midas Civil时程分析工况定义到达时间：地面加速度开始作用于结构上的时间。水平地面加速度的角度：输入地面加速度水平方向的成分绕整体坐标系Z轴旋转的角度。以X轴为准，逆时针为正值，顺时针为负值。指定动力荷载第四十七页，共54页。midas Civil时程分析结果查看延性系数第四十八页，共54页。midas Civil时程分析结果查看铰状态第四十九页，共54页。midas Civil时程分析结果查看时程图形结果第五十页，共54页。midas Civil时程分析结果查看延性系数比较模型类型单元D/D2骨架分布铰2830.827纤维铰2831.677桥墩1墩底位置