建筑结构弹塑性分析

建筑结构抗震弹塑性分析Theseismicelastic-plasticanalysisofbuildingstructuresPushover方法的基本原理Pushover方法的实施步骤主要内容能力谱法Pushover小例子结语为什么要做静力或动力弹塑性分析？你知道自己设计的结构到底能抵抗多大的地震吗？你知道自己设计的结构在大震时什么地方先破坏吗？你知道自己设计的结构是先发生剪切破坏还是弯曲破坏？结构屈服后还能抵抗多大的地震力和变形·？你用实配钢筋验算过“强剪弱弯”、“强柱弱梁”吗？大震下要结构要保持弹性需要多大截面和配筋？Pushover方法的基本原理Pushover方法的发展静力弹塑性分析(Pushover)方法最早是1975年由Freeman等提出的，以后虽有一定发展，但未引起更多的重视;九十年代初美国科学家和工程师提出了基于性态的设计方法，引起了日本和欧洲同行的极大兴趣，Pushover方法随之重新激发了广大学者和设计人员的兴趣,纷纷展开各方面的研究。一些国家抗震规范也逐渐接受了这一分析方法并纳入其中，如ATC-40、FEMA-273&274、日本、韩国等国规范。我国在《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中规定“弹塑性变形分析，可根据结构特点采用静力非线性分析或动力非线性分析”，国外一些软件(如Sap2000,IDARC、SCM-3D、DRAIN-2DX，Opensees等)业已开发和增加这种功能。Pushover方法的基本原理Pushover方法的基本原理Pushover方法从本质上说是一种静力分析方法，即对结构进行静力单调加载下的弹塑性分析。具体地说即是，在结构分析模型上按某种方式施加模拟地震水平惯性力的侧向力，并逐级单调加大，构件如有开裂或屈服，修改其刚度，直到结构达到预定的状态（成为机构、位移超限或达到目标位移）。Pushover方法的基本原理多自由度的荷载－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(capacityspectrum)，地震作用的响应谱转换为用ADRS(Acceleration-DisplacementResponseSpectrum)方式表现的需求谱(demandspectrum)。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(performancelevel)。Pushover方法的基本原理Pushover方法的基本假定用一个单自由度体系(SDOF)来等效实际结构，代替多自由度体系(MDOF)，通过研究等效单自由度体系的地震弹塑性反应，来预测实际结构的地震弹塑性反应。就其自身而言，没有特别严密的理论基础，主要基于以下两个假定：多自由度体系与单自由度体系之间存在一定的关系，这意味着结构的反应主要由单一振型控制；结构沿高度的变形形状可由某一形状向量控制，并且在整个结构反应过程中，该形状向量保持不变。这两个假定都是不严格正确的，但很多学者研究表明：对于反应主要由第一振型控制的结构，Pushover分析方法可以准确、简便地评估结构的抗震性能。Pushover方法的基本原理Pushover方法的基本原理其优点突出体现在：较底部剪力法和振型分解反应谱法，它考虑了结构的弹塑性特性；较时程分析法，其输入数据简单，工作量较小。pushover分析还只是一种近似而且是基于静力荷载进行的，因此它不能精确的代替动力时程分析方法，它不能检测到结构在强烈地震中可能发生的某些重要变形模式，特别是对那些高振型显著的结构更是如此。但如果具有很好的判断力并充分考虑其限制性，则Pushover分析将是一种结构抗震评估的有利工具。Pushover方法的基本原理等效单自由度体系的建立左乘Pushover方法的基本原理等效单自由度体系的建立Pushover方法的基本原理Pushover方法法的的实实施施步步骤骤准备备结结构构数数据据：：包包括括建建立立结结构构模模型型、、构构件件的的物物理理参参数数和和恢恢复复力力模模型型等等;计算算结结构构在在竖竖向向荷荷载载作作用用下下的的内内力力（（将将与与水水平平力力作作用用下下的的内内力力叠叠加加，，作作为为某某一一级级水水平平力力作作用用下下构构件件的的内内力力，，以以判判断断构构件件是是否否开开裂裂或或屈屈服服））;施加加一一定定的的水水平平荷荷载载，，逐逐渐渐加加大大水水平平荷荷载载，，将将结结构构推推到到一一个个结结构构在在可可能能遭遭遇遇的的地地震震作作用用下下所所对对应应的的目目标标位位移移（（性性态态点点）），，然然后后在在结结构构达达到到目目标标位位移移时时停停止止荷荷载载递递增增，，最最后后在在合合作作终终止止状状态态对对结结构构进进行行抗抗震震性性能能评评估估（（结结构构的的总总位位移移角角、、层层间间位位移移角角，，结结构构构构件件的的变变形形、、应应力力等等；；还还可可以以得得到到结结构构的的开开裂裂屈屈服服记记录录，，把把这这些些性性态态参参数数与与结结构构在在一一定定的的性性态态水水准准下下所所要要求求的的能能力力进进行行对对比比，，从从而而可可以以估估计计结结构构在在地地震震作作用用下下，，是是否否满满足足一一定定的的性性态态要要求求））。。两个个关关键键点点：：水水平平荷荷载载分分布布模模式式、、目目标标位位移移的的确确定定Pushover方法法的实实施施步步骤骤Pushover分析析应应选选取取什什么么样样的的加加载载模模式式？？原则则：：应应反反映映实实际际的的地地震震力力分分布布FEMA-273推推荐荐三三种种形形式式:1)均均匀匀分分布布:各各楼楼层层侧侧向向力力可可取取所所在在楼楼层层质质量量；；2)倒倒三三角角形形分分布布:结结构构振振动动以以基基本本振振型型为为主主时时的的惯惯性性力力的的分分布布形形式式,类类似似于于我我国国规规范范中中用用底底部部剪剪力力法法确确定定的的侧侧向向力力分分布布；；3)SRSS分分布布:反反应应谱谱振振型型组组合合得得到到的的惯惯性性力力分分布布。。一般般选选择择：：第第一一振振型型-原因因：：多多层层结结构构的的地地震震力力接接近近倒倒三三角角形形，，与与第第一一振振型型接接近近推荐荐：：层层剪剪力力模模式式，，对对高高层层或或不不规规则则结结构构更更接接近近实实际际的的地地震震力力分分布布固定定加加载载模模式式的的理理论论缺缺陷陷：：加加载载模模式式在在分分析析过过程程中中不不变变Pushover方法法的实实施施步步骤骤水平平荷荷载载分分布布模模式式均匀匀分分布布荷荷载载模模式式这种分分布模模式认认为侧侧向力力沿结结构的的高度度是均均匀分分布，，不考考虑每每层结结构重重量的的不同同，进进行Pushover分析时时，每每一步步施加加在楼楼层的的侧向向力由由下式式确定定式中，，△Vb为每一一步施施加荷荷载时时结构构的基基底剪剪力，，由结结构总总的基基底剪剪力除除以总总的加加载步步数给给出；；N为结构构的总总层数数。此模式式适宜宜于刚刚度与与质量量沿高高度分分布较较均匀匀的结结构Pushover方法的实施施步骤骤水平荷荷载分分布模模式倒三角角形分分布这种分分布模模式认认为结结构沿沿高度度为线线性分分布，，在NEHRP中推荐荐使用用这种种形式式的水水平分分布荷荷载，，每一一步施施加于于楼层层“i”的侧向向力为为：式中，，Wi、hi分别为为第层层的楼楼层荷荷载代代表值值和第第层的的层高高。这这种分分布形形式只只考虑虑了第第一振振型的的地震震作用用，而而没有有考虑虑高振振型的的影响响，因因此适适用于于第一一振型型占主主导的的较低低的结结构。。NorthEastHousingReconstructionProgramme_(NEHRP)Pushover方法的实施施步骤骤水平荷荷载分分布模模式振型自自适应应型分分布以上几几种水水平力力荷载载分布布模式式，都都是先先确定定结构构的基基底剪剪力后后，按按计算算步骤骤进行行等比比例划划分，，从而而得到到结构构各层层每一一步的的侧向向力，，在分分析过过程中中，荷荷载的的分布布模式式保持持不变变。对于结结构处处于弹弹性阶阶段，，侧向向力分分布保保持不不变是是合理理的，，然而而在结结构进进入塑塑性阶阶段后后，结结构的的各构构件和和各层层的刚刚度发发生变变化，，从而而引起起内力力的重重分布布，这这时，，再采采用弹弹性阶阶段的的荷载载分布布形式式是不不合适适的。。自适适应型型的荷荷载分分布试试图根根据每每一步步结构构的刚刚度变变化，，对荷荷载分分布模模式进进行修修正。。采用用与振振型形形状成成比例例的侧侧向力力分布布能够够在一一定程程度上上反映映这种种变化化，只只考虑虑基本本振型型影响响时，，其侧侧向力力的增增量由由下式式计算算：Pushover方法的实施施步骤骤水平荷荷载分分布模模式振型自自适应应型分分布式中Фi1为结构构第一一振型型对应应于第第“i”层的值值；Vb为在计计算中中的上上一步步计算算中得得到的的结构构基底底剪力力；Fiold为上一一步计计算的的第““i”层的层层间力力。考虑多多个振振型时时采用用SRSS方法进进行振振型组组合，，按振振型参参与系系数进进行比比例化化。每每层的的侧向向力增增量按按下式式计算算：Pushover方法的实施施步骤骤水平荷荷载分分布模模式振型自自适应应型分分布目标位位移的的求解解弹性动动力分分析法法：一些些学者者的研研究表表明，，对中中长周周期的的高层层建筑筑结构构，在在同一一地震震作用用下的的弹性性顶点点位移移与弹弹塑性性顶点点位移移基本本相同同，可可以用用弹性性时程程分析析或反反应谱谱分析析得到到的顶顶点位位移作作为弹弹塑性性需求求位移移。（等位位移原原理））式中，，Фij为结构构第振振型对对应于于第““i”层的值值；为为振型型的振振型参参与系系数；；Vb为在计计算中中上一一步计计算中中得到到的结结构基基底剪剪力；；Fiold为上一一步计计算的的第““i”层的层层间力力Pushover方法的实施施步骤骤目标位位移的的求解解等效单单自由由度方方法（（N2方法））。将原结结构等等效为为一弹弹塑性性单自自由度度体系系，确确定等等效刚刚度、、屈服服荷载载、屈屈服位位移和和等效效自振振周期期。从从已知知的弹弹性反反应谱谱中按按照等等效周周期可可以得得到结结构的的等效效弹性性位移移。通通过计计算得得到将将弹性性反应应谱转转化为为弹塑塑性反反应谱谱的折折减系系数以以及结结构的的延性性系数数，利利用等等效弹弹性位位移和和反应应谱折折减系系数以以及结结构延延性系系数就就可以以计算算得出出结构构的弹弹塑性性位移移。（（位移移比谱谱）由Pushover方法的实施施步骤骤目标位位移的的求解解等效单单自由由度结结构得到由强度折折减系系数谱谱与延延性系系数之之间关关系计算结结构的的弹塑塑性位位移Pushover方法的实施施步骤骤能力谱谱方法法能力谱谱方法法的核核心思思想是是首先先将Pushover分析得得到的的结构构自身身受力力性能能的基基底剪剪力－－顶点点位移移曲线线（即即能力力曲线线）经经过变变换，，得到到谱加加速度度和谱谱位移移表示示的““能力力谱””。然然后将将得到到的““能力力谱””与““需求求谱（（可以以是弹弹性反反应谱谱也可可以是是弹塑塑性反反应谱谱）””放在在同一一坐标标系内内，通通过迭迭代确确定需需求位位移。。基本假假定包包括：假定水水平侧侧向荷荷载分分布形形式是是固定定的，，且只只与结结构基基本自自振周周期和和振型型有关关，即即没有有考虑虑结构构高振振型的的影响响。假定可可以通通过加加大等等效粘粘滞阻阻尼来来考虑虑弹塑塑性变变形耗耗能，，对等等效弹弹性单单自由由度体体系进进行迭迭代分分析可可得到到地震震作用用所引引起的的单自自由度度体系系的弹弹塑性性变形形，从从而避避免对对结构构进行行弹塑塑性动动力时时程分分析能力谱谱法能力谱谱方法法建立能能力谱谱曲线线：对对结构构进行行Pushover分析,得到结结构的的基底底剪力力(Vb)和顶点点位移移(UN)关系曲曲线－－能力力曲线线能力谱谱法能力谱谱方法法将结构构的Pushover曲线转转换成成等效效单自自由度度体系系谱加加速度度(A)-位移(D)形式的的能力力曲线线，式中mj为结构构第j层的质质量；；φj1是第一一振型型φ在第j层的元元素；N是结构构的总总层数数；M1是结构构对应应于第第一振振型的的广义义质量量。能力谱谱法能力谱谱方法法建立需需求谱谱（demandspectra），并并将其其从标标准的的加速速度(A)-周期(Tn)形式，，转换换成谱谱加速速度(A)-谱位移移(D)形式;建立需需求谱谱有两两种方方法：(1)需求曲曲线由由地震震反应应谱来来表示示，不不同阻阻尼比比的谱谱曲线线组成成一族族，图图3为根据据ATC-40中的4震区、、D类场地地得到到的需需求谱谱，一一般地地，5%的阻尼尼比谱谱曲线线代表表对线线弹性性结构构地震震反应应的能能力需需求，，结构构的滞滞回非非线性性反应应需求求曲线线由对对应的的较大等效阻阻尼比比谱曲线线表示示（能力谱谱方法法）。能力谱谱法能力谱谱（或或改进进能力力谱））方法法能力谱谱法能力谱谱方法法将非弹弹性反反应需需求谱谱与简简化能能力曲曲线绘绘制在在一起起，求求出两两者的的交点点，即即为目目标位位移。。能力谱谱法能力谱谱（或或改进进能力力谱））方法法(2)通过强强度折折减系系数对对弹性性反应应谱进进行折折减得得到非非弹性性反应应谱（（改进的的能力力谱方方法）。能力谱谱法性能控控制点点确定定方法法Procedure-A是ATC-40中提供供的基基本方方法，，首先先将能能力谱谱中斜斜率为为初始始刚度度的切切线和和阻尼尼比为为5%的弹性性设计计响应应谱的的交点点作为为初始始的性性能点点。然然后确确定初初始性性能点点位置置的等等效阻阻尼，，然后后求使使用有有效阻阻尼系系数的的非线线性设设计响响应谱谱，然然后重重新计计算交交叉点点作为为性能能点。。重复复上述述过程程，直直到在在使用用有效效阻尼尼系数数的非非线性性设计计响应应谱和和能力力谱的的的交交点位位置上上位移移响应应和加加速度度响应应的变变化量量在误误差范范围内内，将将此时时的交交点视视为性性能点点。采采用Procedure-A方法确确定性性能点点的方方法参参见下下图。。能力谱谱法性能控控制点点确定定方法法Procedure-BATC-40中计算算性能能点的的第二二种方方法是是首先先假设设位移移延性性比，，然后后计算算对应应延性性比的的结构构的结结构的的有效效周期期，将将有效效周期期直线线和5%弹性设设计响响应谱谱的交交点作作为初初始的的性能能点。。对弈弈于假假定的的位移移延性性比的的放射射线状状的有有效周周期和和非线线性设设计响响应谱谱的交交点将将形成成一个个轨迹迹线，，该轨轨迹线线与结结构的的能力力谱的的交点点为最最终的的性能能点。。能力谱谱法分析目目的经Pushover分析后后,得到性性能点点,根据性性能点点时的的变形形,对以下下三个个方面面进行行评价价:1)顶点侧侧移是是否否满足足抗震震规范范规定定的弹弹塑性性顶点点位移移限值值2)层间位位移角角是是否满满足抗抗震规规范规规定的的弹塑塑性层层间位位移角角限值值。3)构件的的局部部变形形是是指梁梁、柱柱等构构件塑塑性铰铰的变变形,检验它它是否否超过过建筑筑某一一性能能水准准下的的允许许变形形能力谱谱法能力谱谱法“应”进行行弹塑塑性变变形验验算的的结构构如下下：1)8度III、IV类场地地和9度时，，高大大的单单层钢钢筋混混凝土土柱厂厂房的的横向向排架架；2)7～9度时楼楼层屈屈服强强度系系数小小于0.5的钢筋筋混凝凝土框框架结结构；；3)高度大大于150m的结构；4)甲类建筑筑和9度时乙类类建筑中中的钢筋筋混凝土土结构和和钢结构构；5)采用隔震震和消能能减震设设计的结结构；“宜”进行弹弹塑性变变形验算算的结构构如下：：1)表5.1.2-1所列高度度范围且且属于表表3.4.2-2所列竖向不规规则类型的高高层建筑筑结构；；2)7度III、IV类场地和和8度时乙类类建筑中中的钢筋筋混凝土土结构和和钢结构构；3)板柱-抗震墙结结构和底部框框架砖房房；4)高度不大大于150m的其它高高层钢结结构。5)不规则的的地下建建筑结构构和地下下空间综综合体。。新抗规5.5.2条规定：：能力谱法法新高规3.11.4条、规定定：高度<=150m时，5.5.1可采用静静力弹塑塑性分析析方法；；高度>200m时，应采采用弹塑塑性时程程分析法法；高度在150～200m时，可视视结构不不规则程程度选择择静力或或时程分分析法。。高度超过过>300m的结构，，应由两个独立立的计算算，进行核；；复杂结构构应进行施施工模拟拟分析，，应以施工全全过程完完成后的的内力为为初始状状态弹塑性时时程分析析宜采用双向向或三向向地震输输入构件的几几何尺寸寸、混凝凝土构件件所配的钢钢筋和型钢、、混合结结构的钢钢构件应应按实际情况况参与计算算。钢筋和混混凝土材材料的本本构关系系可按现现行国家家标准《混凝土结结构设计计规范》GB50010的有关规规定采用用。应考虑几何何非线性性影响能力谱法法某简单框框架结构构的Pushover分析析———操作步步骤及说说明一、计算算模型将要分析析的模型型如下图图所示，，柱子的的间距X方方向为5m，，Y方方向为4m，，层高为为3m。梁：0.2m×0.5m,C30混凝凝土，四四个角点点上个配配置500m2的HRB335纵纵筋。柱：0.3m××0.4m,C30混混凝土土，四个个角点上上个配置置600m2的HRB335纵纵筋。Pushover小例例子二、详细细操作步步骤1.建立立模型(1)在在SAP2000中中选择择“新建建模型””按钮（（ctrl+N），弹弹出“新新模型””窗口，，点击击“三维维框架””按钮。。此时注注意将单单位修改改为“N.mm,C””Pushover小例例子(2)输输入框架架的层数数、榀数数、间距距等信息息，点击击“确定定”按钮钮。(3)自自动生成成的框架架为铰接接，需要要修改为为刚接。。选择所所有的支支座→指指定→节节点→约约束，约约束所有有支座的的转动。。Pushover小例例子(4)定定义新材材料。定定义-材材料，在在弹出的的窗口中中，增加加C30混混凝土和和HRB335钢钢筋。（（在定义义C30混混凝土和和HRB335钢钢筋的材材料属性性时，可可以按照照我国规规范输入入相关关参数，，比如弹弹性模量量、密度度、屈服服强度，，也可以以应用程程序默认认参数(5)在在C30混混凝土的的基础上上建立新新材料类类型C30BEAM。将混混凝土的的密度改改为5000，，相当于于把楼板板的重量量折算到到梁里面面去。最最后点击击“确定定”。Pushover小例例子(6)定定义柱截截面。定定义→截截面属性性→框架架截面，，输入柱柱子的名名称为COLUMN，，材料料为C30、、截面尺尺寸。点点击“配配筋混凝凝土”设设置配筋筋。(7)定定义钢筋筋的材料料属性HRB335，，每个柱柱子四角角各有一一个钢筋筋，定义义新的钢钢筋截截面名称称为“600m2”面面积为600m2。。Pushover小例例子(8)按按照同样样的方法法定义梁梁截面信信息。Pushover小例例子(9)把把相应的的截面赋赋予相应应的构件件，得到到构件的的截面属属性Pushover小例例子(10)定义两两个荷载载工况，，Dead和和Pushover。定义义→荷载载模式Pushover小例例子(11)在楼顶顶部两个个节点上上个施加加