建筑結(jié)構(gòu)大震下彈塑性分析講義

1、建筑結(jié)構(gòu)大震下彈塑性分析楊志勇中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部彈塑性分析目的、意義彈塑性分析方法彈塑性分析的具體實(shí)現(xiàn)彈塑性分析目的、意義三水準(zhǔn)設(shè)防中的“大震不倒” 兩階段設(shè)計(jì)中的“第二階段彈塑性變形驗(yàn)算”強(qiáng)震下變形驗(yàn)算的基本問題： 計(jì)算薄弱層位移反應(yīng)和變形能力；通過改善結(jié)構(gòu)均勻性和加強(qiáng)薄弱層使得層間位移角滿足限值要求。彈塑性分析的規(guī)范規(guī)定建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50011-2001高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ 3-2002高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ99-98建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范3.4.3條 豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)應(yīng)（宜）進(jìn)行彈塑 性變形分析3.6.2條 彈塑性分析可以根據(jù)具體情況采用 彈塑性靜

2、力、時(shí)程、簡化方法5.5.2條 何種結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算5.5.3條 彈塑性變形驗(yàn)算方法5.5.4條 彈塑性分析的簡化方法5.5.5條 彈塑性層間位移角限值應(yīng)進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算的結(jié)構(gòu)1) 8 度類場地和9 度時(shí)高大的單層鋼筋混凝土柱廠房的橫向排架2) 7 9 度時(shí)樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)小于0.5 的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)3) 高度大于150m 的鋼結(jié)構(gòu)4) 甲類建筑和9 度時(shí)乙類建筑中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)5) 采用隔震和消能減震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)宜進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算的結(jié)構(gòu)1) 表5.1.21 所列高度范圍且屬于表3.4.2-2 所列豎向不規(guī)則類型的高層建筑結(jié)構(gòu)2) 7 度類場地和8 度時(shí)乙類建筑中的鋼

3、筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)3) 板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)和底部框架磚房4) 高度不大于150m 的高層鋼結(jié)構(gòu)高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程4.6.4條 , 4.6.5條 ,5.1.13條， 4.6.4條 有具體規(guī)定基本遵從于建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程5.3.6條5.3.10條 ,5.4.4條， 5.5.3條 有具體規(guī)定有層間側(cè)移延性比規(guī)定彈塑性分析方法動(dòng)力彈塑性（時(shí)程）分析方法靜力彈塑性分析方法簡化彈塑性分析方法簡化彈塑性分析方法及局限性適應(yīng)范圍小薄弱層確定不準(zhǔn)確彈塑性層間位移為估算結(jié)果動(dòng)力彈塑性分析方法理論基礎(chǔ)較扎實(shí)的一種方法適用范圍較為廣泛對使用者要求較高計(jì)算時(shí)間相對較大EPDA中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力彈

4、塑性分析原理單元模型 梁、桿、柱、撐采用纖維束模型 剪力墻采用彈塑性殼單元方程解法 PCG解線性方程 多種解動(dòng)力微分方程方法 多種解非線性方程方法接力SATWE、PMSAP程序，適用的結(jié)構(gòu)類型廣泛動(dòng)力彈塑性分析方法示意圖靜力彈塑性分析方法較動(dòng)力彈塑性分析方法可一定程度節(jié)省計(jì)算時(shí)間與動(dòng)力彈塑性分析方法互為補(bǔ)充PUSH中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)靜力彈塑性分析原理較為先進(jìn)的單元類型先進(jìn)的弧長法加載策略非線性方程疊代方法的多種選擇波前法解線性方程病態(tài)方程的特殊解法處理接力SATWE程序，適應(yīng)的結(jié)構(gòu)類型廣泛靜力彈塑性分析方法示意圖動(dòng)力彈塑性分析軟件EPDA實(shí)現(xiàn)實(shí)例一、五棵松體育場（2008奧運(yùn)會(huì)籃球館） 16.2。彈塑

5、性動(dòng)力分析軟件EPDA工程實(shí)例實(shí)例二、2008奧運(yùn)會(huì)國家主體育場看臺 實(shí)例三、2008奧運(yùn)會(huì)國家主體育場罩棚（鳥巢） 靜力彈塑性分析軟件PUSH實(shí)現(xiàn)11.051.11.151.21.251.30100020003000結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移(mm)荷載因子試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限元解 彈塑性位移角控制 結(jié)構(gòu)薄弱部位的判斷 結(jié)構(gòu)的抗倒塌驗(yàn)算 大震下結(jié)構(gòu)抗震性能的整體評估 彈塑性分析結(jié)果的討論 罕遇地震下結(jié)構(gòu)性能的評估F1。結(jié)構(gòu)各層彈塑性最大位移、位移角，平均位移、位移角；F2。最大變形時(shí)刻的結(jié)構(gòu)整體位移、位移角曲線；F3。對于高層尤其是超高層結(jié)構(gòu)應(yīng)考察有害位移、有害層間位移角，有害位移是結(jié)構(gòu)真正的變形位移，對高層結(jié)構(gòu)

6、最大有害層間位移與最大層間位移往往差異較大，分布也不同；F4。目前抗震規(guī)范仍然以層間位移角給出判斷指標(biāo)，所以彈塑性位移控制仍以規(guī)范為準(zhǔn)。 彈塑性位移角控制F1。最大層間位移、最大有害層間位移所在的樓層；F2。層間位移、有害層間位移超過規(guī)范限值的樓層；F3。結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性鉸、剪力墻破壞點(diǎn)比較集中的部位；F4。結(jié)構(gòu)局部變形較大的部位；F5。結(jié)構(gòu)彈塑性反應(yīng)力突變的部位。結(jié)構(gòu)薄弱部位的判斷薄弱層薄弱部位 1。需求譜曲線（周期需求譜曲線（周期-影響系數(shù)曲線）影響系數(shù)曲線）結(jié)構(gòu)在靜力推覆分析過程中，隨著結(jié)構(gòu)的破壞、結(jié)構(gòu)阻尼的增加、結(jié)構(gòu)自振周期的變化，反映出結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)烈度大震下的彈塑性最大水平地震影響系數(shù)曲線

7、。該曲線綜合反映了結(jié)構(gòu)彈塑性變形過程中地震作用變化的情況。2。能力曲線（周期能力曲線（周期-加速度曲線）加速度曲線）基于等效單質(zhì)點(diǎn)體系綜合統(tǒng)計(jì)出的結(jié)構(gòu)周期加速度曲線。隨著結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的自振周期、頂點(diǎn)加速度反應(yīng)也發(fā)生變化，當(dāng)該曲線穿過需求普曲線時(shí)，說明結(jié)構(gòu)能夠抵抗設(shè)計(jì)烈度的大震，否則就認(rèn)為不能抵抗設(shè)計(jì)烈度的大震情況。越早穿過需求普曲線，說明結(jié)構(gòu)抵抗大震的能力越強(qiáng)，當(dāng)曲線趨于水平時(shí)，說明結(jié)構(gòu)接近破壞、倒塌；結(jié)構(gòu)抗倒塌驗(yàn)算 3。周期周期-最大層間位移曲線最大層間位移曲線基于等效單質(zhì)點(diǎn)體系綜合統(tǒng)計(jì)出的結(jié)構(gòu)周期頂點(diǎn)位移曲線。隨著結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的自振周期、頂點(diǎn)位移反應(yīng)也發(fā)生變化，豎向

8、連接需求譜與能力譜曲線的交點(diǎn)，則該點(diǎn)的層間位移值可以理解為抵抗設(shè)計(jì)烈度大震時(shí)的結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移，也可以把該點(diǎn)的層間位移與規(guī)范限值比較，比規(guī)范小則滿足設(shè)計(jì)要求，反之則認(rèn)為不滿足設(shè)計(jì)要求。周期-影響系數(shù)曲線需求譜曲線周期-最大位移角曲線周期-加速度曲線能力曲線T影響系數(shù)1/105等效單自由度體系驗(yàn)算曲線層間位移角 4。抗倒塌驗(yàn)算的其它方法抗倒塌驗(yàn)算的其它方法彈塑性分析可以按設(shè)定的方式考慮結(jié)構(gòu)的倒塌機(jī)制。如下圖所示，當(dāng)結(jié)構(gòu)由于外部原因，在局部失去支撐，此時(shí)分析結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀。F1。彈塑性層間位移、位移角的控制；F2。結(jié)構(gòu)大震下的薄弱部位的判斷；F3。結(jié)構(gòu)抗倒塌驗(yàn)算；F4。結(jié)構(gòu)大震下的整體變形能力，即最

9、大變形；F5。結(jié)構(gòu)大震下變形、反應(yīng)力的突變分析；F6。局部變形分析；F7。靜力推覆的最大承載力分析；F8。時(shí)程分析的各時(shí)刻結(jié)構(gòu)變形、桿件塑性鉸分析；F9。各時(shí)刻桿件塑性鉸、剪力墻破壞點(diǎn)分布的分析；F10。結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位、削弱部位的彈塑性反應(yīng)分析。大震下結(jié)構(gòu)整體性能的評估 F1。彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)，其彈塑性地震波應(yīng)盡可能與建筑物所在地接近，如上海市專門頒布了專用于本地區(qū)的兩條彈塑性地震波；F2。彈塑性分析所采用構(gòu)件（梁、板、柱、墻）的計(jì)算模型，不同的計(jì)算模型，有時(shí)計(jì)算結(jié)果會(huì)有一定的差別；F3。材料的彈塑性模型，對不同材料使用適合的彈塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線，一般應(yīng)以“混凝土規(guī)范”為準(zhǔn)；F4。彈塑性整體計(jì)算模型（如層模型、平面模型、三維模型等）、迭代的求解方法，也是影響彈塑分析結(jié)果的因素之一；F5。彈塑性分析參數(shù)的合理選擇。彈塑性分析結(jié)果的討論 F6。在彈塑性分析過程中