基于性能分析的结构轴力-顶盖的轴对称结构地震响应研究

基于性能分析的结构轴力-顶盖的轴对称结构地震响应研究

1995年的日本钟声战争给千家万户的家庭带来了巨大损失，数万人无家可归，经济损失超过1000亿。地震发生后，各国科学家考虑了现有的抗强训练方法，提出了基于性能的结构抗强训练的概念。通过对比分析，即静态力弹塑料分析，被认为是基于性能抗强设计的重要方法之一。2001年，中国将这一方法纳入建筑抗强设计规范。通过对比分析，我们可以了解整个结构中每个构件的力和负荷之间的关系，以及不同构件之间的负荷之间的关系，从而检查是否满足“弱柱和弱弯”或“强切割和弱曲线”的结构弱点。此外，美国csi公司的新版本的sap2000和etabs也增加了了sp交叉分析的功能。作者计算的示例是使用sap2000进行cp连接分析。1弹塑性静力分析的常用分析方法Push-over分析在国外研究和应用较早,经各国学者不断的完善和改进,现在已经成为弹塑性静力分析的重要方法之一.SAP2000提供的Push-over分析功能采用的是能力谱法.Push-over分析方法的主要步骤如下.1.1基于堆叠力的位移曲线计算用单调增加的侧向荷载作用于结构,计算结构的基底剪力—位移曲线(见图1(a)).1.2第一振型质量系数k把基底剪力-顶点位移曲线(V-ΔT曲线)转换为能力谱曲线(Sa-Sd曲线),(见图1(b))需要根据式(1)逐点进行,即式中(Vi,ΔTi)为基底剪力—顶点位移曲线上的任一点;(Sai,Sdi)为能力谱曲线上相应的点;G为总的等效荷载代表值;1,T第一振型顶点振幅;α1为第一振型质量系数;γ1为第一振型参与系数α1和γ1可由式(2)计算得到,即式中mi为第i层的质量;i1为第一振型在第i层的振幅1.3等效粘滞阻尼标准的需求反应谱包含一段常量的加速度谱和一段常量的速度谱,在周期Ti处它们有以下关系:由标准的加速度反应谱(Sα-T谱)转换为ADRS谱(Sα-Sd谱),就得到需求谱,(见图1(c)和(d)),即在研究能力谱与需求谱的关系之前,应该考虑结构非线性耗能性质对地震需求的折减,也就是要考虑结构非线性变形引起的等效阻尼变化.ATC-40用能量耗散原理来确定等效阻尼.当地震作用于结构达到非弹性阶段时,结构的能量耗散可以视为结构粘滞阻尼与滞回阻尼的组合;滞回阻尼用等效粘滞阻尼来代表,并用来调低地震需求谱;滞回阻尼与滞回环以内的面积大小有关,因此要设定滞回曲线,一般采用双线性曲线代表能力谱曲线来估计等效阻尼.等效粘滞阻尼ζ可由图2(a)所求的参数确定:其中:Ed为滞回阻尼耗能,等于平行四边形的面积;Es为最大应变能,等于阴影三角形的面积.在图2(a)中,要做出双线性滞回曲线图,需要首先假设(dp,ap)点,此点是决定结构等效阻尼大小和地震需求曲线位置的一个坐标点,是试探性的性能点.1.4谱位移位置的确定将能力谱曲线和某水准地震的需求谱画在同一坐标系中(见图2(b)),两曲线的交点称为性能点,性能点所对应的位移即为等效单自由度体系在该地震作用下的谱位移.将谱位移按式(1)转换为原结构的顶点位移,根据该位移在原结构V-ΔT曲线的位置,即可确定结构在该地震作用下的塑性铰分布、杆端截面的曲率、总侧移及层间侧移等,综合检验结构的抗震能力.若两曲线没有交点,说明结构的抗震能力不足,需要重新设计.因为弹塑性需求谱、性能点、ζ之间相互依赖,所以确定性能点,是一个迭代过程.只要已知参数输入正确,性能点、ζ、需求谱等可由程序自动算出.2计算步骤2.1梁柱和现浇板设计首先建立结构模型,然后利用SAP2000,求出结构各构件在设计规范规定的各种荷载工况下的内力并配筋.建立模型时,梁柱用框架单元模拟,现浇板用壳单元模拟.2.2塑性铰的本构模型SAP2000给框架单元提供了弯矩铰(M)、剪力铰(V)、轴力铰(P)、压弯铰(PMM)4种塑性铰,可以在框架单元的任意部位布置一种或多种塑性铰.各种塑性铰的本构模型如图3所示.SAP2000提供了两种定义塑性铰的方法:一种是用户自定义塑性铰的特征属性;另一种是程序按照美国规范FEMA-273和ATC-40给定.笔者采用后一种方法来定义塑性铰的本构关系.塑性铰应设置在弹性阶段内力最大处,因为在结构的这些位置最先达到屈服.对于梁柱单元,一般情况是两端内力最大,所以一般在梁两端设置弯矩铰(M)和剪力铰(V),在柱两端设置压弯铰(PMM).2.3侧向加载模式进行Push-over分析时选取的侧向加载模式既应反映出地震作用下各结构层惯性力的分布特征,又应使所求得的位移能大体真实反映地震作用下结构的位移状况.在强震作用下,结构进入弹塑性阶段后,结构的自振周期和惯性力的分布方式随之变化,楼层惯性力的分布不可能用一种方式来反映.因此,最少采用2种以上的侧向加载模式进行Push-over分析.SAP2000是通过定义Push-over分析工况来选择侧向加载模式,SAP2000提供了自定义、均匀加速度和振型荷载3种Push-over分析工况,其中均匀分析工况相当于均匀分布侧向加载模式;振型荷载分析工况,当取第一振型时,相当于倒三角侧向加载模式.在SAP2000中定义Push-over分析工况时,首先要定义结构在自重作用下的内力和变形,其它的Push-over工况都是在此工况结果上所进行的,结构位移随着其定义的分析工况值(即某种侧向荷载)的不断增大而增大,直到达到规定的位移.常用的Push-over分析工况有:(1)重力+振型l(纵向);(2)重力+振型2(横向);(3)重力+x向加速度;(4)重力+y向加速度.2.4结构抗震性能评估经Push-over分析后,得到结构的性能点,根据性能点所对应的结构变形,通过以下3个方面的值对结构的抗震性能进行评估:(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:指梁、柱等构件塑性铰的变形,检验它是否超过某一性能水准下的变形要求.3计算示例3.1混凝土结构模型某医院病房为6层框架结构,层高均为3.6m,柱混凝土标号为C35,截面尺寸为0.6m×0.6m;梁、板混凝土标号为C30,梁截面尺寸为0.3m×0.6m,填充墙为粘土加气混凝土块,墙宽0.2m,板采用0.12m的混凝土现浇板.所有柱、梁截面受力主筋选用三级钢筋,抗剪钢筋选用一级钢筋.本工程按7度抗震设防,场地类别为三类,设计地震分组为第一组,场地特征周期为0.45s,该结构三维模型见图4.经SAP2000地震反应谱分析,得到梁、柱等配筋,其中底层柱最大的配筋率为3.3%,各构件的配筋率及强度等指标均满足规范要求.结构在多遇地震下的侧移和层间位移角见表1,结构模态周期和频率见表2.由表1可知结构在多遇地震作用下层间位移未超过规范所规定的限值(对于框架结构规范规定的层间位移角为1/50).3.2重力+x向加速度本算例进行Push-over分析所选用的3个侧向加载模式为:(1)重力+振型1,相当于横向的倒三角形侧向加载模式;(2)重力+x向加速度,相当于纵向的侧向加载模式;(3)重力+y向加速度,相当于横向的侧向加载模式.按照抗震规范,进行7度罕遇地震情况下的计算,根据我国抗震相关系数与ATC-40中的系数关系可以确定系数:CA=0.2;CV=0.225.3.3计算与分析3.3.1侧向加载模式2作用下结构层间位移结构在加载模式1作用下,底部剪力最大承载力为1559kN(约占结构总重的20.8%)、顶点位移为19.9cm时,结构层间位移超过限值(层高的1/50)分析停止;在侧向加载模式2作用下,在底部剪力为1756.2kN(约占结构总重的23.6%)、顶点位移为21.6cm时,结构层间位移超过限值分析停止;在侧向加载模式3作用下的延性最大,在底部剪力为1933.7kN(约占结构总重的25.8%)、顶点位移达到23.4cm时,结构层间位移超过限值分析停止.在3种加载模式作用下,结构的底部剪力承载力相差最大为374.7kN(约占结构总重的4.9%).加载模式3得到的底部剪力承载力是加载模式1的1.24倍,加载模式2的1.1倍.3.3.2塑性铰的分布结构在弹塑性阶段的塑性铰分布见图5,加载模式1和加载模式3作用下塑性铰首先出现在横面一层中跨梁的边缘处,加载模式2作用下塑性铰首先出现在纵向面一层最左边跨梁的边缘处.从图5可以看出,框架中塑性铰大多出现在梁上,符合“强柱弱梁”的设计要求.综合以上评价,该工程满足使用要求.如果局部某个构件不满足塑性限值要求,则需要局部加强,而不会改变整体结构的性能.4er分析的应用笔者阐述了进行Push-over分析的基本原理,并结合我国抗震规范用SAP2000对1个6层框架结