结构弹塑性地震反应

结构弹塑性地震反应分析关键词：结构弹塑性时程分析法、结构恢复力模型、结构静力弹塑性分析法；承载力谱、地震需求谱弹塑性地震反应分析的必要性在强震作用下，结构或结构单元（结构的一部分，一个楼层或一个构件）会超出弹性变形范围，进入塑性阶段工作。这时结构或结构单元的刚度特性会发生明显变化（刚度降低），阻尼特性也会有所改变。显然，结构刚度的降低一般会引起变形的加剧，进而影响到结构的正常使用，或者进一步严重破坏甚至倒塌，这样是不符合设计要求的。从地震动角度考虑结构弹塑性地震反应问题，除了地震动强度的影响外，地震动的频谱以及地震动的持时对结构的反应也有着不可忽视的影响。结构固有振动频率这一概念原则上对应于弹性变形阶段。结构进入塑性变形阶段后，只能有一种称为暂态频率或暂态周期的概念。这是由于结构在某一塑性加载阶段工作时，即使是在简谐激励下，也不能完成一个整周期的振动；而在某一塑性卸载阶段工作时，由于结构实际上是多单元体系，各结构单元工作状态的变化是频繁的，在地震作用下会不时处于不同的阶段工作，所以结构完成一个整周期振动的机会不多。但不管怎样，从整体上看问题，结构在反应的某一阶段可以有一个大致的刚度和大致的频率。所以从动力放大效应这一角度，地震动的频谱对结构弹塑性反应起的作用与只考虑弹性反应时类似。至于地震动的持时，虽然他对结构弱非线性反应的影响较小，但当结构进入强非线性阶段工作时，其影响是不能忽视的。另外，持时对结构在地震反应其间（特别是强非线性反应阶段）的能量损耗有较大影响，这对结构的破坏会有一定的作用。振型分解反应谱法是以反应谱理论和振型分解法为基础的地震作用计算方法，然而，这一方法以叠加原理为基础，因此只适用于线弹性地震反应分析，不能进行几何非线性和结构弹塑性地震反应分析；该法只能计算出地震反应的最大值，不能反映地震反应的发展过程。上述不足之处说明：1）出于安全和经济的原因，抗震设计原则为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。但结构及构件在地震作用下一旦进入塑性阶段，叠加原理就不能使用，而反应谱法也不能准确反映弹塑性活动过程中所消耗的地震能量。2）地震是一个时间持续过程。由于构件开裂、屈服引起弹塑性变形，造成结构、构件间的内力重分配时刻都在发生，所以结构最大地震反应与变形积累或变形过程有关。反应谱法无法正确判断结构薄弱层或薄弱部位，此外，结构地震反应最大值以及达到最大值的时刻也是结构设计所关心的问题。3）科学研究和震害分析表明，结构在地震中是否发生破坏或倒塌，与最大变形能力、结构耗能能力有直接关系。如果不能计算出结构的最大变形或实际耗能，将无法保证“大震不倒”原则的实现。另外，近年来结构隔震和消能减震技术的应用，均需要准确计算隔震装置、消能减震装置的弹塑性变形，确定其变形能力，他们是采用隔、减震技术进行结构设计的关键内容。4）用统计方法建立的设计反应谱，即使给出了地震反应的概率或标准差，也不能很好的符合具体的工程地质条件，不能反映场地各土层动力特性的影响，不能计算地基与结构之间的动力相互作用。遇到场地特殊情况，也不能正确估计地震反应的变化。结构弹塑性地震反应分析的目的是通过认识结构从弹性到弹塑性、从开裂到屈服、损坏直至倒塌的全过程，研究结构内力分配、内力重分布的机理，研究防止破坏的条件和防止倒塌的措施，实现结构设计兼顾安全性和经济性的原则。因此，有必要进行结构弹塑性地震反应分析。弹塑性地震反应分析方法《抗规》规定，对某些建筑结构进行罕遇地震下的弹塑性变形分析，可根据结构特点和设计需求，分别采用结构动力弹塑性分析或静力弹塑性分析。动力弹塑性分析时程分析法是20世纪60年代逐步发展起来的抗震分析方法，至80年代，已成为多数国家抗震设计规范或规程的分析方法之一。时程分析法又称动态分析法，是由初始状态开始逐步积分直到地震作用终了，求出结构在地震作用下从静止到振动以致到达最终状态的全过程。它与底部剪力法和振型分解反应谱法的最大区别是能计算结构和构件在每个时刻的地震反应（内力和变形）。湿当用此方法进嫌行计算时，将易地震波进行输迁入。一般而言身，地震波的峰堡值应反映建筑鄙物所在地的烈灾度，而其频谱衔组成反映场地自的卓越周期和虹动力特性。当膛地震波的作用纲较为强烈以致船结构某些部位往强度达到屈服咬进入塑性的顺写序。这时结构蜂薄弱层层间位爆移可能达到最门大值，从而造肚成结构的损坏朵，直至倒塌。铸他从强度和变葛形两个方面来淋检验结构的安亿全和抗震可靠颠度，并判明结宅构屈服机制和惹类型。由于阻恭尼力与速度或青位移的关系、或恢复力与位移之的关系可能是桃非弹性的，这跃种分析就是弹龄塑性时程分析惠。如在分析时津对结构物理参忘数引入弹塑性掉的假定，这种称分析就是弹塑驰性时程分析。探作为不规则的鸭建筑，特殊高歉层建筑的一种僵补充计算，采删用时程分析法窜的主要目的在权于检验规范反冲应谱法的计算水结果、弥补反架应谱法的不足稠和进行反应谱声法无法做到的证结构弹塑性地温震反应分析。抢时程分析法的浮主要功能有：晶1债）丧满该速校正由于采用液振型分解反应迁谱法和组合求拢解结构内力和哪位移时的误差蒜。特别是对于回长周期的高层想建筑，由于设风计反应谱在长饭周期段的人为霜调整以及计算适中对高阶振型际的影响评估不组足产生的误差沫。欲2蓬）臣角易绪可以计算结构触在非弹性阶段疾的地震反应，游对结构进行大百量作用下的变控形验算，从而脾确定结构的薄晓弱层和薄弱部锯位，以便采取桃适当的构造措华施。链3押）息佩详突可以计算结构组和各结构构件锤在地震作用下否每个时刻的地闸震反应（内力牧和变形），提劣供按内力包络颠值配筋和按地杀震作用过程每彼个时刻的内力缎配筋最大值进学行配筋这两种斗方式。但总的来说，时声程分析法具有坝许多优点，它贞的计算结果能灵更真实的反映谅结构的地震反睁应。从而能更退精确细致的分艇析出结构的薄美弱部位。鼠相比静力弹塑木性分析方法，介弹塑性时程分耳析法的优点是匆：扮1灾）匙销格如由于输入的是弯地震波的整个政过程，可以真军实反映各个时颂刻地震作用引医起的结构响应选，包括内力、咬变形、损伤形购态（开裂和破楼坏）等。筹2渗）霉否屋深目前许多程序些是通过定义材壮料的本构关系气来考虑结构的贿弹塑性性能，背因此可以准确手模拟任何结构列，计算模型简亭化较少。很3少）彼茄庄田该方法基于塑压性区的概念，酱相比静力弹塑忆性分析方法中捧单一的塑性铰扁判别法，特别塘是对带剪力墙访的结构，结果卵更为准确可靠龟。狗该方法的缺点箩是：计算量大里，运算时间长怠，由于可进行拾此类分析的大通型通用有限元蠢分析软件均不翠是面向设计的族，因此软件的义使用相对复杂据，建模工作量登大，数据前后询处理繁琐，不挨如设计软件简禾单、直观；分黎析中需要用到淹大量有限元、口本构关系、损蝇伤模型等相关项理论知识，对秋计算人员要求只较高。伍静力弹塑性分横析妇结构静力弹塑舅性分析方法也平称推覆分析法舟（扁Push-o兴veran同aiysi汽s在，简瞎称式PO属A纯），将其与地辛震反应谱理论语结合使用可对菠结构进行抗震恭评估。这种方雅法在腊近腰2追0史年来获得巨大字进展。该方法乔的仆基本作法是：镰先在结构非线副性静力分析模玻型上逐级施加借既定的侧向荷汗载，按顺序计纸算并记录结构贞位移、开裂、断屈服等地震反车应过程，并获蛙得结计构宰~嫂荷载位移曲线尘，该曲线代表宽了该结构的承角载能力和变形宋能力；然后结踏合《抗规》规万定的地震需求舰值判断结构的仰抗震性能和抗秘震能力。瘦推覆分析法评定估结构的抗震晨能力具有许多羞优点：惰1乳）殖鄙傅点相比承载力设考计方法，推覆射分析法可以估威计结构和构件急的非线性变形联，比承载力方粒法接近实际。牙2遭）割勤泪污相对于弹性时墓程分析法，推愁覆分析法的概陈念、所需参数申和计算结果相照对明确，构件挥设计和配筋是勉否合理能够直忧观的判断，评苦估过程中所依六据的抗震需求畅和结构设计所天应达到的抗震慈水准可以方便盘调整、相互适庭应，体现了基贸于性能的结构燕抗震设计思想含，易被工程设肾计人员接受。变3锋）蝇掉侧宁工程量相对小源，计算过程稳农定收敛，可以些花费相对较少斑的时间和费用促得到较稳定的伯分析结果，减邪少分析结果的浙偶然性，达到船工程设计所需探要的变形验算循精度。骂4六）线段练收推覆分析法对裹于提高结构计糟算与设计效率狠、考察结构开股裂或屈服过程邮、分析结构倒名塌过程、计算醉并评估结构抗扭震能力、指导挤并改进结构设据计，具有重要热作用。贝推覆分析法的戚缺点：怨1雾）短是则辛推覆分析法将亡地震的动力效彼应近似等效为熄静态荷载，只戏能给出结构在疑某种荷载作用邀下的性能，无邀法反映结构在利某一特定地震休作用下的表现迷以及由于地震港的瞬时变化在掌结构中产生刚扮度退化和内力使重分布等非线各性动力反应。催2鞠）新凤战副计算中选取不嗽同的水平荷载蚕分布形式，计栽算结果存在一狂定的差异，为颂最终结果的判伴断带来不确定畏性。绑3医）稿身音夏推覆分析法以议弹性反应谱为爽基础，将结构差简化为等效单粪自由度体系。陷因此它主要反框应结构第一周库期的性质，对走于结构振动以诚第一振型为主储、基本周期颤在厦2框s波内的结构，推龟覆