建筑结构大震下弹塑性分析

建筑结构大震下弹塑性分析杨志勇中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部弹塑性分析目的、意义弹塑性分析方法弹塑性分析的具体实现弹塑性分析目的、意义三水准设防中的“大震不倒”两阶段设计中的“第二阶段弹塑性变形验算”强震下变形验算的基本问题：计算薄弱层位移反应和变形能力；通过改善结构均匀性和加强薄弱层使得层间位移角满足限值要求。弹塑性分析的规范规定《建筑抗震设计规范》GB50011-2001《高层混凝土结构技术规程》JGJ3-2002《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98《建筑抗震设计规范》3.4.3条竖向不规则结构应（宜）进行弹塑性变形分析3.6.2条弹塑性分析可以根据具体情况采用弹塑性静力、时程、简化方法5.5.2条何种结构需要进行弹塑性变形验算5.5.3条弹塑性变形验算方法5.5.4条弹塑性分析的简化方法5.5.5条弹塑性层间位移角限值应进行弹塑性变形验算的结构1)8度3、4类场地和9度时高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架2)79度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构3)高度大于150m的钢结构4)甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构5)采用隔震和消能减震设计的结构宜进行弹塑性变形验算的结构1)表5.1.21所列高度范围且属于表3.4.2-2所列竖向不规则类型的高层建筑结构2)7度3、4类场地和8度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构3)板柱-抗震墙结构和底部框架砖房4)高度不大于150m的高层钢结构《高层混凝土结构技术规程》4.6.4条,4.6.5条,5.1.13条，4.6.4条有具体规定基本遵从于《建筑抗震设计规范》《高层民用建筑钢结构技术规程》5.3.6条～5.3.10条,5.4.4条，5.5.3条有具体规定有层间侧移延性比规定弹塑性分析方法动力弹塑性（时程）分析方法静力弹塑性分析方法简化弹塑性分析方法简化弹塑性分析方法及局限性适应范围小薄弱层确定不准确弹塑性层间位移为估算结果动力弹塑性分析方法理论基础较扎实的一种方法适用范围较为广泛对使用者要求较高计算时间相对较大EPDA中已经实现动力弹塑性分析原理单元模型•梁、杆、柱、撑采用纤维束模型•剪力墙采用弹塑性壳单元方程解法•PCG解线性方程•多种解动力微分方程方法•多种解非线性方程方法接力SATWE、PMSAP程序，适用的结构类型广泛动力弹塑性分析方法示意图静力弹塑性分析方法较动力弹塑性分析方法可一定程度节省计算时间与动力弹塑性分析方法互为补充PUSH中已经实现静力弹塑性分析原理较为先进的单元类型先进的弧长法加载策略非线性方程叠代方法的多种选择波前法解线性方程病态方程的特殊解法处理接力SATWE程序，适应的结构类型广泛静力弹塑性分析方法示意图“一体化软件”实现弹塑性静、动力分析EPDA/PUSH软件特点“静力分析”与“动力分析”相结合“简单易用”与“广泛适用”相结合“计算效率”与“计算准确”相结合“初级用户”与“高端用户”相结合动力弹塑性分析软件EPDA实现十分容易的形成弹塑性分析模型，避免烦杂的建模工作EPDA/PUSH软件工程应用弹塑性分析并非高不可攀，可以简单易用近几年每年几十个的实际工程应用用户反应良好，一旦掌握，反复使用弹塑性分析可以量化反映结构抵御罕遇地震的性能实例一、五棵松体育场（2008奥运会篮球馆）16.2。弹塑性动力分析软件EPDA工程实例实例二、2008奥运会国家主体育场看台实例三、2008奥运会国家主体育场罩棚（鸟巢）实例四、某高层混凝土结构实例五、某大体量超高层混凝土结构实例六、某高层加固工程实例七、CCTV新址方便的实现大型复杂结构从复杂空间建模、弹性阶段设计到弹塑性分析工作实例八、隔震结构分析通过隔震单元的隔震作用，显著降低罕遇地震下结构响应EPDA/PUSH软件正确性验证与ANSYS、ABAQUS等权威非线性分析软件进行了静力、动力弹塑性分析的充分验证实例一、简单钢框架分析简单的钢框架，高度非线性检验的整体程序框架，包括非线性迭代、静动力解法、纤维束梁单元，非线性本构关系等核心计算程序-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150246810epdaabaqus-0.25-0.2-0.15-0.1-0.0500.050.10.150.2024681012abaqusepda-6算例二、9层钢框架模型-0.6-0.4-0.200.20.40.60.80246810abaqusepdaepda-细分6实例三、钢筋混凝土小框架验证了混凝土非线性本构关系，纤维束混凝土梁、柱单元动力弹塑性分析EPDA与ABAQUS结果对比-0.03-0.02-0.0100.010.020.03012345umatabaqus－originalepda－6epda－8－1epda－10－1实例四、多层钢筋混凝土框架动力弹塑性分析EPDA与ABAQUS结果对比-0.08-0.06-0.04-0.0200.020.040.060.080123456epda-6abaqus-8实例五、单榀钢筋混凝土剪力墙第一次开裂时，剪力墙受拉裂缝EPDA与ABAQUS情况动力弹塑性分析EPDA与ABAQUS结果对比-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020123456epdaabaqus-original实例六、单榀钢筋混凝土开洞剪力墙动力弹塑性分析EPDA与ABAQUS结果对比-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040123456abaqusepda第一次开裂时，剪力墙受拉裂缝EPDA与ABAQUS对比静力弹塑性分析软件PUSH实现实例一、某高层混凝土结构15.3。弹塑性静力分析软件PUSH工程实例实例二、某高层钢结构算例一、单层钢框架模型15.4。弹塑性静力分析软件PUSH工程实例11.21.41.61.822.2050100150200250300350abaqusPUSH算例二、9层钢框架模型11.051.11.151.21.251.30100200300400500600700abaqus-0.01PUSH-0.01abaqus-1PUSH-111.11.21.31.41.51.61.71.8050100150abaqusPUSH实例三、钢筋混凝土小框架验证了混凝土非线性本构关系，纤维束混凝土梁、柱单元静力弹塑性分析PUSH与ABAQUS结果对比11.522.533.544.5050100150200250abaqus－rebar×1abaqus－rebar×2push－rebar×1push－rebar×2push－rebar×5abaqus－rebar×5实例四、多层钢筋混凝土框架静力弹塑性分析PUSH与ABAQUS结果对比11.051.11.151.21.251.31.351.41.45020406080100120push－10abaqus-12abaqus-211.051.11.151.21.251.30100020003000结构顶点位移(mm)荷载因子试验数据有限元解17.1。弹塑性位移角控制17.2。结构薄弱部位的判断17.3。结构的抗倒塌验算17.4。大震下结构抗震性能的整体评估17.5。弹塑性分析结果的讨论17。罕遇地震下结构性能的评估1。结构各层弹塑性最大位移、位移角，平均位移、位移角；2。最大变形时刻的结构整体位移、位移角曲线；3。对于高层尤其是超高层结构应考察有害位移、有害层间位移角，有害位移是结构真正的变形位移，对高层结构最大有害层间位移与最大层间位移往往差异较大，分布也不同；4。目前抗震规范仍然以层间位移角给出判断指标，所以弹塑性位移控制仍以规范为准。17.1。弹塑性位移角控制1。最大层间位移、最大有害层间位移所在的楼层；2。层间位移、有害层间位移超过规范限值的楼层；3。结构构件塑性铰、剪力墙破坏点比较集中的部位；4。结构局部变形较大的部位；5。结构弹塑性反应力突变的部位。17.2。结构薄弱部位的判断薄弱层薄弱部位1。需求谱曲线（周期-影响系数曲线）——结构在静力推覆分析过程中，随着结构的破坏、结构阻尼的增加、结构自振周期的变化，反映出结构在设计烈度大震下的弹塑性最大水平地震影响系数曲线。该曲线综合反映了结构弹塑性变形过程中地震作用变化的情况。2。能力曲线（周期-加速度曲线）——基于等效单质点体系综合统计出的结构周期加速度曲线。随着结构进入弹塑性状态，结构的自振周期、顶点加速度反应也发生变化，当该曲线穿过需求普曲线时，说明结构能够抵抗设计烈度的大震，否则就认为不能抵抗设计烈度的大震情况。越早穿过需求普曲线，说明结构抵抗大震的能力越强，当曲线趋于水平时，说明结构接近破坏、倒塌；17.3。结构抗倒塌验算3。周期-最大层间位移曲线——基于等效单质点体系综合统计出的结构周期顶点位移曲线。随着结构进入弹塑性状态，结构的自振周期、顶点位移反应也发生变化，竖向连接需求谱与能力谱曲线的交点，则该点的层间位移值可以理解为抵抗设计烈度大震时的结构弹塑性层间位移，也可以把该点的层间位移与规范限值比较，比规范小则满足设计要求，反之则认为不满足设计要求。周期-影响系数曲线需求谱曲线周期-最大位移角曲线周期-加速度曲线能力曲线T影响系数1/105等效单自由度体系验算曲线层间位移角4。抗倒塌验算的其它方法——弹塑性分析可以按设定的方式考虑结构的倒塌机制。如下图所示，当结构由于外部原因，在局部失去支撑，此时分析结构的现状。1。弹塑性层间位移、位移角的控制；2。结构大震下的薄弱部位的判断；3。结构抗倒塌验算；4。结构大震下的整体变形能力，即最大变形；5。结构大震下变形、反应力的突变分析；6。局部变形分析；7。静力推覆的最大承载力分析；8。时程分析的各时刻结构变形、杆件塑性铰分析；9。各时刻杆件塑性铰、剪力墙破坏点分布的分析；10。结构关键部位、削弱部位的弹塑性反应分析。17.4。大震下结构整体性能的评估1。弹塑性动力时程分析时，其弹塑性地震波应尽可能与建筑物所在地接近，如上海市专门颁布了专用于本地区的两条弹塑性地震波；2。弹塑性分析所采用构件（梁、板、柱、墙）的计算模型，不同的计算模型，有时计算结果会有一定的差别；3。材料的弹塑性模型，对不同材料使用适合的弹塑性应力应变曲线，一般应以“混凝土规范”为准；4。弹塑性整体计算模型（如层模型、平面模型、三维模型等）、迭代的求解方法，也是影响弹塑分析结果的因素之一；5。弹塑性分析参数的合理选择。17.5。弹塑性分析结果的讨论6。在弹塑性分析过程中不考虑构件剪切破坏；7。弹塑性分析，应当考虑构件的塑性发展，即塑性铰有可能还要延杆件方向延伸；8。弹塑性动力分析的控制，按设防烈度的大震，取与规范一致即可；9。弹塑性静力分析的控制，一般可以采用：（a）基底剪力控制法；（b）层间位移控制法；（c）弯矩曲率控制法（目前EPSA还没有）等。