静力弹塑性和动力弹塑性分析方法在结构抗震分析中的应用

震分析中的应用

2012年6月

北京金土木软件技术有限公司提纲

¾进行静力弹塑性和动力弹塑性分析的意义。

¾静力弹塑性分析与结构抗震性能评估。

¾动力弹塑性分析与结构抗震性能评估。

¾静力弹塑性与动力弹塑性分析的优缺点。

北京金土木软件技术有限公司进行静力弹塑性和动力弹塑性分析的意义

规范要求的抗震设防目标

“小震不坏，中震可修，大震不倒”。小震不坏：采用

结构线弹性验算;中震可修及大震不倒：采用构造措施

及薄弱层弹塑性验算。

超限结构

《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》了解结构的“实际”抗震能力，发现结构的薄弱位置，

有针对性的改进抗震设计。

弹塑性分析成为结构抗震能性评估的重要依据。

基于性能的抗震设计（PBSD）

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结构实际的抗震能力点

¾进行静力弹塑性和动力弹塑性分析的意义。

¾静力弹塑性分析与抗震性能评估。

¾动力弹塑性分析与抗震性能评估。

¾静力弹塑性与动力弹塑性分析的优缺点。

北京金土木软件技术有限公司静力弹塑性分析与结构抗震性能评估

•针对高层建筑的静力弹塑性分析主要是指Pushover分析；•Pushover 方法是通过对结构施加沿高度呈一定分布的水平单调递增荷载来将结构推至某一预定的目标位移或者使结构成为机构,来分析结构的薄弱部位及其它非线性状态的反应,以判断在未来可能地震作用下结构及构件的变形能力是否满足设计及使用功能的要求。

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利用Pushover 分析进行结构抗震性能评估的基本思路

基本思路•建立Pushover 曲线

•选择用于评估的地震设防水准

•选择用于评估的性能水准

•为结构和构件确定性能目标

•采用特定的方法进行结构抗震性能评估

•为各性能水准确定容许准则

小震不坏：采用结构线弹性验算

中震可修及大震不倒：采用构造措施及薄弱层弹塑性验算

北京金土木软件技术有限公司选择用于评估的结构性能水准

•结构的性能水准：是用来描述结构在一定地面运动作用下的损伤程度。

•美国ATC、FEMA系列的规范中对性能水准都有相应的表述。

•我国在2010新版的《高规》和《抗规》增加了结构性能水准的划分依据。

北京金土木软件技术有限公司美国相关规范对结构性能水准的定义

正常使用（Operational）、可立即使用（Immediate Occupancy）、

生命安全（Life Safety）、建筑物不倒塌（Collapse Prevention）。

北京金土木软件技术有限公司我国规范对结构性能水准的定义

依据《高规》（JGJ3-2010）和《抗规》（GB50011-2010）

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•容许准则即确认塑性铰的转动限值，可参考FEMA356表5-6、表5-7、表

6-7、表6-8及表6-18.

美国规范中对性能水准确定容许准则

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•《高规》3.11.3条，给出了不同性能水准的构件承载力验算公式，缺

少不同性能水准构件变形能力的量化标准。

我国规范中对性能水准确定容许准则

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•结构的性能目标：是指在一定超越概率的地震发生时，结构

期望的最大破坏程度。是地震设防水准与结构性能水准的组合。

•我国的《高规》（2010）3.11.1和《抗规》（2010）3.10.2

分别给出了相应的结构抗震性能目标。

结构的性能目标

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•确定结构的宏观性能目标

•确定构件的性能目标

对结构进行抗震性能评估时选择的性能目标

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建立Pushover 曲线

•Pushover 曲线是指结构的基底剪力-顶点位移（或顶点位移角）曲线。

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•能力谱方法（ATC40）

•目标位移法（FEMA356）

采用特定的方法对结构进行抗震性能评估•FEMA440等效线性化方法

•FEMA440位移修正法

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整体结构的抗震性能评估

10

20

30

40

5060

701/

1/3001/6001/9001/12001/15001/1800δ/hi

H (m )

+X方向推覆

－X方向推覆

1/100 重要构件的抗震性能评估

结构抗震性能评估的主要内容

静力弹塑性分析的主要问题

•关于推覆工况的设置

•关于加载模式的选取

•关于需求谱

•关于无性能点的解决办法

北京金土木软件技术有限公司加载模式

Uniform Mode 1

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对于非对称空间结构，增加推覆工况

左侧推覆

右侧推覆后侧推覆

前侧推覆

非对称模型

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中美反应谱转换参数Ca与Cv

当0.1s＜T≤T

g

时

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当Tg ＜T ≤5Tg 时

当5Tg ＜T ≤6s 时

中美反应谱转换参数Ca 与Cv

1）提高结构抗震能力，如增加强度或刚度；增加结构延性。

2）折减地震需求，如增加阻尼，采用隔振器等。

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提纲

¾进行静力弹塑性和动力弹塑性分析的意义。

¾静力弹塑性分析与抗震性能评估。

¾动力弹塑性分析与抗震性能评估。

¾静力弹塑性与动力弹塑性分析的优缺点。

北京金土木软件技术有限公司动力弹塑性分析与抗震性能评估

•弹塑性时程分析方法是一种直接基于结构动力方程的数值方法，不仅可以得到结构在地震作用下各时刻各个质

点的位移、速度、加速度和构件的内力。而且能够反映

地面运动的方向、特性及持续作用的影响。

北京金土木软件技术有限公司利用动力弹塑性分析进行结构抗震性能评估的基本思路

基本思路•选择用于评估的地震波

•选择用于评估的性能水准

•为结构和构件确定性能目标

•采用特定的方法进行结构抗震性能评估

•为各性能水准确定容许准则

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•选波的数量•频谱特性•有效峰值•持续时间•

统计特性

地震波的选取

00.150.30.450.60.750.90

2

4

6

8

10

周期T(s)

地震影响系数

GM1_人工波GM2_人工波

GM3_San Fernando 8244 Origon Blvd GM4_Hollywood Strorage P.E.GM5_Bonds Corner EI Centro GM6_Taft Lincoln School

GM7_Loma Prieta Oackland Outer Wharf 规范反应谱平均值

北京金土木软件技术有限公司利用动力弹塑性分析结果对结构进行抗震性能评估

•结构的整体位移

•层间弹塑性位移角

•基底剪力、楼层剪力

•地震倾覆力矩

•结构模型中各单元的耗能情况

•主要构件的塑性变形及损伤情况

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动力弹塑性分析的几个重要问题

•关于本构

材料：应力-应变关系；截面：弯矩-曲率；构件：力-位移；

•关于恢复力模型

恢复力模型是构件或者结构在反复荷载作用下表现的力-位移或应力-应变关系，是反映结构弹塑性的重要特征，包括滞回曲线和骨架曲线两部分。进行抗震性能分析时，需要建立起相应的

恢复力模型。

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•关于滞回曲线：

滞回曲线指构件(或结构)在往复(或周期)荷载作用下的力-位移曲线,它的倾斜程度表征构件(或结构)的刚度特性,它的包围面积表征构件(或结构)的阻尼特性。滞回曲线反映结构强度退化、刚度退化和滑移特征。

滞回曲线也包括代表材料本身应力-应变关系的曲线。

动力弹塑性分析的几个重要问题

•关于骨架曲线

骨架曲线是滞回曲线的包络线，是基于截面的恢复

力模型。它能反映构件截面屈服、强化、破坏等特

征，为结构所有状态点划定界限。

北京金土木软件技术有限公司•关于塑性铰模型与纤维模型

塑性铰模型是采用基于截面的恢复力模型（骨架曲线）；

纤维模型是基于材料的本构，通过平截面假定转化成

截面的恢复力模型。

动力弹塑性分析的几个重要问题

顶部钢筋非约束混凝土

约束混凝土

底部钢筋非约束混凝土

约束混凝土

纵向钢筋

约束混凝土

非约束混凝土

端部区配筋

非端部区配筋

北京金土木软件技术有限公司提纲

¾进行静力弹塑性和动力弹塑性分析的意义。

¾静力弹塑性分析与抗震性能评估。

¾动力弹塑性分析与抗震性能评估。

¾静力弹塑性与动力弹塑性分析的优缺点。

北京金土木软件技术有限公司静力弹塑性分析方法的优缺点

优点

可较为简便地确定结构在不同地震强度下目标位移和变形需求，以及相应的构件和结构能力水平。

一个静力分析比动力分析简单的多，分析能使用更少的时间，计算效率更高。

后处理的结果容易整理。

缺点

理论基础不严密，方法使用的受限条件较多。

该方法是一种静力分析方法，无法考虑如地震作用持续时间、能量耗散、结构阻尼、材料的动态性能、承载力衰减等影响因素。

该方法主要适用于一阶振型占地震响应主导地位的结构近似分析，对于较柔软，周期较长，高阶模态行为比较突出的结构，该方法存在一

定的局限性。

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动力弹塑性分析方法的优缺点

优点

任意的结构类型都适用，计算模型简化较少。

可以反映地面运动的方向、特性及持续时间的影响。

计算的荷载是实际的地震波。

动力弹塑性分析突破了静力弹塑性分析方法的局限性，可以准确地体现高振型的影响，相对准确的模拟结构的实际受力行为。

缺点

分析技术复杂，从模型的简化、恢复力模型的确定、地震波的选用、数据的前后等都需要大量的工作。

分析中需要用到大量有限元、钢筋混凝土本构关系、损伤模型等相关理论知识，对计算人员要求较高。

北京金土木软件技术有限公司欢迎指正，谢谢！

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