基于能力谱法的静力弹塑性分析

基于能力谱法的静力弹塑性分析

1考虑拉压静力弹塑化分析是一种对结构抗疲劳性能的新方法。该方法既能够校核结构在多遇地震下的弹性设计结果,也能够确定结构在罕遇地震下潜在的破坏机制,找到最先破坏的薄弱环节,使设计人员在一定程度上了解结构在强震作用下的弹塑性反应特性。该方法概念清晰,实施简单,已在国内外都得到广泛的应用。2静力分析的基本过程SAP2000提供的Pushover分析方法,采用的是ATC-40提供的能力谱法,其基本分析过程如下:2.12.2塑性铰的布置SAP2000给框架单元提供了弯矩(M)、剪力(V)、轴力(P)、轴力和弯矩相关(PMM)四种塑性铰,程序允许在一根构件的任意部位布置一个或多个塑性铰。塑性铰应布置在构件相应受力最大的部位,对梁单元,通常是在两端设置弯曲塑性铰(M);对柱单元,在两端设置压弯铰(PMM);对中心支撑应在中部设置轴力铰(P);在剪力最大处,应设置剪切铰(V)。2.3两个方向平动为主的第一、二振型时SAP2000提供了自定义分布、均匀加速度分布和振型荷载分布3种侧向加载模式。均匀加速度分布相当于均匀分布;振型荷载分布(当取两个方向平动为主的第一、二振型时),相当于倒三角分布。施加侧向荷载前,应计算结构的竖向荷载,竖向荷载由房屋自重和楼面使用荷载组成,竖向荷载在整个Pushover过程中,其大小始终保持不变。通常Pushover工况可采用:1)竖向荷载+振型1(倒三角形分布)(X向)2)竖向荷载+振型2(倒三角形分布)(Y向)3)竖向荷载+X向加速度(均匀分布)4)竖向荷载+Y向加速度(均匀分布)2.4地震反应的引导变形经Pushover分析后,得到性能点,根据性能点时的变形,对以下3个方面进行评价: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)构件的局部变形是指梁、柱等构件塑性铰的变形,检验它是否超过建筑某一性能水准下的允许变形。ATC-40将房屋遭受地震后,可能出现的状态主要分为IO(ImmediateOccupancy)、DC(DamageControl)、LS(LifeSafety)、SS(StructuralStability)4种状态,可解释为“立即居住”、“损坏控制”、“生命安全”和“结构稳定”。ATC-40给出了梁、柱、墙等构件在上述几种相应状态下的塑性限值,无论何种类型铰,都可以用图1表示,纵轴表示轴力、弯矩、剪力等,横轴表示轴向变形、曲率、转角等,其中B、IO、LS、CP(CollapsePrevention)、C为性能点,其中B点出现塑性铰,C点为倒塌点,CP为预防倒塌点,各性能点所对应的横坐标为相应的弹塑性位移限值。3工程特点和结构特点北京饭店二期改扩建工程商业部分位于北京市东城区王府井地区E3地块,共8层(局部7层),总建筑高度34.55m。该结构为钢框架-支撑体系(错层结构),平面布置见图2,结构三维分析模型见图3;结构首层层高为5.6m,顶上2层层高为3.9m,中间错层部分层高分别为5.25m(7层部分)和4.2m(8层部分),见图4。钢材采用Q345GJC,主要构件断面见表1。首层27轴至30轴之间为市政道路,2层采用钢桁架转换。工程抗震设防类别为乙类;抗震设防烈度为8度;场地类别为Ⅱ类;设计基本地震加速度值为0.2g;设计地震分组为第一组;基本风压:0.50kN/m2,地面粗糙度为C类,基本雪压:0.40kN/m2。结构在多遇地震下的侧移和层间位移角见表2。X向的最大层间位移角为1/700,满足限值1/300的要求。Y向的最大层间位移角为1/667,满足限值1/300的要求;该结构的总质量为9×104t,动力特性见表3。4静力弹塑料的推挤分析4.1根据抗震规范的反应谱计算地震反应谱采用SAP2000提供的缺省塑性铰本构模型,将弯矩(M)铰赋予梁的两端、轴力和弯矩相关(PMM)铰赋予柱两端,轴力(P)铰赋予支撑中部。本工程属于中等高度建筑(34.55m),故采用振型荷载(倒三角形荷载)作用在纵、横2个方向,即2个工况是:1)竖向荷载+振型1(X向)2)竖向荷载+振型2(Y向)按照抗震规范,应进行多遇地震作用和罕遇地震作用两种情况下的计算。根据我国现行抗震规范中的地震反应谱与SAP2000中的反应谱(见图5)的对比,可以确定系数CA、CV。8度多遇地震:CA=0.072,CV=0.0728度罕遇地震:CA=0.36,CV=0.364.2结论分析1弹性反应谱计算结果经Pushover分析,得到X向的性能点(Sa=0.062,Sd=0.0245);性能点处的基底剪力和顶点位移Vb=4.65×104kN,Un=0.031m<0.035m(弹性反应谱计算结果,见表1)。Y向的性能点(Sa=0.068,Sd=0.022);性能点处的基底剪力和顶点位移Vb=2.96×104kN,un=0.024m<0.039m(弹性反应谱计算结果,见表1)。在达到上述状态时,各杆件没有产生塑性铰,极限位移略小于反应谱计算结果。X向及Y向底层剪力-顶点位移关系曲线见图6和图7。2性能点和塑性铰的分析罕遇地震作用下,得到X向性能点(Sa=0.216,Sd=0.098);性能点处的基底剪力Vb=1.618×105kN,顶点位移Un=0.121m<1/50×34.55=0.69m(0.5%是抗震规范规定的钢结构弹塑性层间位移角限值),故X向顶点位移满足弹塑性极限要求。Y向性能点(Sa=0.312,Sd=0.103);性能点处的基底剪力Vb=1.36×105kN,Un=0.111m,顶点位移Un=0.111m<1/50×34.55=0.69m,故Y向顶点位移满足弹塑性极限要求。在性能点状态时的X向和Y向侧移和层间位移角见表4。从表4可见,X向和Y向的最大层间位移角均小于抗震规范规定的弹塑性层间位移角限值0.5%,所以,该结构的层间位移角也满足弹塑性极限的要求。X向、Y向在性能点时的塑性铰分布如图8、图9所示,塑性铰主要出现在梁、斜支撑、底层柱等部位,塑性铰的变形均落在B-IO、IO-LS两种区段内,承载力完好。综合以上分析,该工程能满足多遇地震作用下的使用要求,且在罕遇地震作用下,具有足够的变形能力,满足我国规范中大震不倒的要求。5中等高度建筑抗震性能评估采用SAP2000程序对北京饭店二期改扩建工程商业部分进行了静力弹塑性(P