结构地震响应分析时程分析法

结构地震响应分析时程分析法

0结构地震计算方法地震作用的计算方法包括：底部剪切力法、振动分解反应谱法、简化弹塑性分析法和时间偏移法。规范以振型分解反应谱法为计算地震作用的基本方法,时程分析法是补充计算方法,适用于特别不规则、特别重要的和较高的高层建筑以及有性能化设计要求的建筑结构的地震作用计算分析。时程分析法是模拟实际地震作用的方法,是反映建筑结构地震响应的最直接的方法。时程分析法分为弹性动力时程分析法和弹塑性动力时程分析法。弹性动力时程分析法是多遇地震作用下振型分解反应谱法的一种补充计算方法,是结构设计的一种辅助计算方法;弹塑性动力时程分析法考虑了结构的弹塑性性能的计算方法,是罕遇地震作用下模拟实际地震作用响应的计算方法。1弹性动态时程法的分析1.1时程分析方法根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)第5.1.2条,对于特别不规则的建筑、甲类建筑和超过一定范围(8度I、II类场地和7度高度大于100m;8度III、IV类场地高度大于80m;9度大于60m)的高层建筑,要求在多遇地震下,采用时程分析法进行补充计算。计算软件通过弹性动力时程分析,输出楼层层间位移图、楼层剪力图、楼层弯矩图、地震波图及各波的平均值等,同时输出地震反应谱计算结果。设计时,分析比较时程分析和反应谱计算结果,取包络值。1.2地震波参数的选择地震波的输入,应满足频谱特性、有效峰值加速度和持续时间的地震动三要素要求。1.2.1地震波的选取《抗规》第5.1.2条规定:采用时程分析法时,应根据建筑场地类别和设计地震分组,选用的实际强震记录不少于两组,另需一组加速度时程曲线。选用多组时,实际强震记录不少于总数的2/3。结构计算软件如SATWE等,根据结构的特征周期给出了多组可供选用的天然波和人工波。每个特征周期对应4条人工波和4条天然波。每条波给出了各方向地震波时程曲线峰值加速度和记录步长,天然波还给出了地震波的信息提示和主方向反应谱。设计时,应根据实际情况选择所需要的地震波。因为特征周期根据建筑场地类别和设计地震分组确定,要满足频谱特性要求,须选取满足特征周期要求的地震波。1.2.2地震烈度的选取根据上述要求选择所需要的地震波后,应进行弹性动力时程分析参数选择。各方向分量峰值加速度应选取与地震烈度对应的值,根据小震、中震、大震弹性计算的不同要求选取。对于多数建筑采用弹性动力时程分析作为多遇地震下的补充计算时,取设防烈度小震对应值。当结构模型需要双向或三向地震波输入时,加速度最大值按主方向、次方向、竖向1:0.85:0.65的比例调整。1.2.3记录步长的确定《抗规》第5.1.2条建议地震加速度的持续时间一般采用结构基本周期的5~10倍。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)第4.3.5条规定地震波的持续时间不宜小于结构基本自振周期的5倍和15s。地震波的时间间距可取0.01s或0.02s,即计算程序的记录步长。持时的要求保证体现结构由于地震动产生的最大响应。1.3所选地震波的合理性评价1.3.1主要振型周期点上的反差《抗规》第5.1.2条要求,与振型分解反应谱法相比,时程分析所选取的多波平均地震响应系数曲线,两者在统计意义上相符。所谓统计意义上相符,即两者在主要振型的周期点上相差不大于20%。由于人工波是拟合规范反应谱的结果,故所选人工波一般满足要求。而天然波较难满足,在设计时,应判断天然波响应谱的最大卓越周期是否与结构的特征周期一致,或者判断天然波几个最主要卓越周期是否包含在特征周期内。满足时,一般可保证统计意义上相符。计算软件如SATWE,提供了地震波平均谱与振型解反应谱的比较功能:地震波反应谱与规范谱对比图,同时可以显示出与规范谱曲线在各选择周期点上的百分比差异。1.3.2谱法计算结果的选取《抗规》第5.1.2条提出了弹性动力时程分析时,时程曲线计算所得的结构底部剪力要求。每条时程曲线的计算结果不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%,多条时程曲线的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。此条避免了不同地震波计算结果离散性大带来的问题,保证了分析的有效性。设计时,地震波库中特定特征周期的地震波数量不足时,可在相邻特征周期的地震波库中选取,因为其频谱特征相近。计算软件SATWE给出了地震波的地震力放大系数,可通过调整相应地震波的地震力放大系数达到规范规定的底部剪力下限要求。1.4弹性动力时程分析方法根据规范“三水准两阶段”的设计要求,对于大多数一般建筑要进行第一阶段多遇地震下的弹性计算。弹性动力时程分析法作为以振型分解反应谱法为基本方法的补充计算方法,对结构底部剪力、楼层剪力和层间位移进行两种方法计算结果的比较。当弹性动力时程分析法计算结果大于振型分解反应谱法时,进行包络,相关部位的构件内力和配筋做相应的调整。此时结构为弹性体系,建筑处于正常使用状态。计算软件SATWE提供弹性动力时程分析结果(WDYNA.OUT),该文件输出结构各地震波作用下楼层最大位移、位移角、剪力、弯矩、速度、加速度的最大值,及各地震波最大响应平均值。程序同时可输出上述相应曲线,均可与振型分解反应谱法计算结果进行对比分析。设计时,将弹性动力时程分析计算结果与振型分解反应谱法计算结果比较,配筋时进行包络设计,保证结构整体和局部构件的安全。2弹塑性动态方程分析2.1弹塑性动力时程分析《抗规》第5.5.2条提出了罕遇地震作用下,结构薄弱层弹塑性变形验算的要求。下列结构应进行弹塑性变形验算:8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度高大单层横向排架;7~9度楼层屈服强度系数小于0.5时的框架结构和排架结构;甲类建筑和9度乙类建筑结构;采用隔振和消能减震设计的乙类结构;高度大于150m的结构。下列结构宜进行弹塑性变形验算:需进行多遇地震下的时程分析补充计算且竖向不规则的高层建筑结构;7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度乙类钢结构和钢筋混凝土结构;底部框架砌体房屋和板柱-抗震墙结构;高度不大于150m的高层钢结构;不规则的地下结构和空间综合体。按照《抗规》“三水准、两阶段”的抗震设计思想,和性能化设计的要求,对于复杂的多、高层建筑结构、特别不规则结构、超限高层结构需要进行弹塑性动力分析。《抗规》5.5.3条规定了弹塑性计算的3种方法:简化弹塑性分析法、弹塑性静力分析法和弹塑性动力时程分析法。弹塑性分析计算软件PUSH&EPDA提供了两种弹塑性分析方法:一种是PUSH(ElastoPlasticPushOverAnalysis)弹塑性静力推覆分析方法,另一种是EPDA(ElastroPlasticDynamicAnalysis)弹塑性动力时程分析方法。这里只讨论弹塑性动力时程分析法。弹塑性动力时程分析可以计算薄弱层的位移和变形,判断罕遇地震作用下结构是否满足规范规定的层间位移角限值;判断薄弱层和薄弱构建所在的位置,对重要构件进行加强,实现“大震不倒”的设计思想。通过弹塑性动力时程分析可以了解结构的弹塑性性能、反应结构的固有特性,得到结构在罕遇地震下的抗倒塌能力。规范中所要求的弹塑性阶段设计主要指该阶段的变形验算。结构在罕遇地震作用下满足规范层间位移角限值时,则可通过弹塑性阶段的变形验算,从而保证结构的抗倒塌能力。2.2弹塑性动力分析与多遇地震反应谱分析罕遇地震计算时,地震波的选择对弹塑性动力时程分析结果有很大影响,不同的地震波差别较大,应把握好弹塑性动力时程分析时地震波的选取。《抗规》对弹塑性动力分析时地震波的选取没有明确的规定。计算软件PUSH&EPDA建议按照《抗规》第5.1.2条对弹性时程分析的规定选取弹塑性分析所用的地震波。所选地震波数量、类型及地震波响应产生地结构底部剪力均应满足相关要求。所选地震波的频谱特性要满足规范的要求。《抗规》第5.1.4条规定,计算罕遇地震作用时,特征周期应增加0.05s。此条保证所选地震波的频谱特性与规范反应谱基本一致,特征周期的延长考虑了结构出现弹塑性后的刚度弱化。弹塑性动力时程分析宜采用双向或三向地震输入。采用弹塑性动力时程分析法计算时,地面运动加速度时程的选取、罕遇地震峰值加速度取值和计算结果的选用,《高规》第5.5.1条和第4.3.5条均作了规定。各方向分量峰值加速度应选取与地震烈度对应罕遇地震的值。规范对弹塑性动力分析与多遇地震下反应谱分析的对比标准没有明确的规定。实用的做法是可以先将所选的地震波进行弹性动力时程分析,判断其是否达到反应谱分析的所要求的结构底部剪力下限要求;满足要求时再进行弹塑性动力时程分析。2.3地震波弹塑性层间位移角为满足第二阶段结构“大震不倒”的要求,规范规定了罕遇地震作用下结构进行弹塑性变形验算的要求。弹塑性动力时程分析所反映的结构的固有特性有:罕遇地震作用下,多条地震波弹塑性层间位移角平均值是否满足规范规定,结构的薄弱构件、薄弱楼层出现的部位及先后次序;罕遇地震作用下,结构各部分如框架、剪力墙协同工作情况;结构整体的震动过程;构件开裂和破坏过程等。通过结构的弹塑性动力时程分析,可以得到结构的最大位移、最大层间位移角和最大结构底部剪力、结构塑性发展图、结构塑性分布图,确定构件屈服的顺序和位置,判断结构的抗震性能。2.3.1结构损伤的部位结构的薄弱楼层和薄弱杆件一般出现在以下部位:最大层间位移、最大有害层间位移所在楼层;层间位移超过规范限值的楼层;结构构件的塑性铰和剪力墙破坏点比较集中的部位;局部变形较大部位;结构弹塑性突变的部位。应注意的是,最大层间位移角出现的部位不一定就是结构的薄弱层。结构薄弱层的判断可以以结构最大有害层间位移角为依据,即以剔除层间位移角中的楼层整体弯曲变形部分后的楼层剪切变形部分为依据进行判断。各向有害层间位移角可根据EPDA输出的有害层间位移角曲线判定。采用计算软件EPDA进行弹塑性动力时程分析后,输出所选地震波产生的罕遇地震下最大层间位移角时可的结构、墙体、层间裂缝和塑性铰分布图,方便了设计判断。2.3.2层间位移角的确定规范要求的结构罕遇地震分析的内容主要指弹塑性阶段的变形验算,即多条地震波平均弹塑性最大层间位移角应小于规范所规定的限值。保证罕遇地震作用下,结构满足大震不倒的第二阶段设计要求。应注意,弹塑形变形验算应以层间位移角为准而不是有害层间位移角。层间位移角可从EPDA输出的文件“非线性动力时程分析EP-DA结果输出(3DDYNA.OUT)”中查看。2.3.3抗冲件结构的调整计算软件EPDA以“弹性积分点比例”和“截面刚度退化比例”来判断结构的塑性铰。程序提供了杆件塑性铰显示和剪力墙弹塑性状态显示功能。可从EPDA输出的塑性铰分布图查看。结合PUSH分析,调整塑性铰判断刚度比例,显示比较少的位置破坏,则是破坏严重的部位。据此,可以了解构件的损伤情况、屈服的顺序和位置及结构的弹塑性发展情况,有选择的对结构进行加强。剪力墙在一些特征时刻(如最大层间位移、最大顶点位移、最大有害层间位移角发生时刻等)出现比较多的裂缝,则这些剪力墙是薄弱构件,需要适当加强。杆类构件在特征时刻出现了塑性铰,则这些构件是薄弱构件。通过调节塑性铰刚度退化比例,