彈塑性時(shí)程分析

1、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)抗震設(shè)防目標(biāo)抗震設(shè)防目標(biāo)兩階段設(shè)計(jì)法兩階段設(shè)計(jì)法小震、中震、大震的關(guān)系小震、中震、大震的關(guān)系第一階段設(shè)計(jì)第一階段設(shè)計(jì)：截面的效應(yīng)（對(duì)應(yīng)小震）：截面的效應(yīng)（對(duì)應(yīng)小震） R R ：截面的抗力：截面的抗力 ：承載力抗震調(diào)整系數(shù)：承載力抗震調(diào)整系數(shù)RE/RSRE計(jì)算設(shè)計(jì)：計(jì)算設(shè)計(jì)：REuhee第一階段設(shè)計(jì)第一階段設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)中的內(nèi)力調(diào)整：計(jì)算設(shè)計(jì)中的內(nèi)力調(diào)整：GbnrblbvbVLMMV GbnrbualbuaVLMM11V .vbGbV第一階段設(shè)計(jì)第一階段設(shè)計(jì)2 2）柱端設(shè)計(jì)彎矩的調(diào)整（強(qiáng)柱弱梁）柱端設(shè)計(jì)彎矩的調(diào)整（強(qiáng)柱弱梁） 對(duì)對(duì)9 9度和一級(jí)抗震結(jié)構(gòu)還要滿(mǎn)足下式度

2、和一級(jí)抗震結(jié)構(gòu)還要滿(mǎn)足下式 ：柱端彎矩增大系數(shù)，一、二、三級(jí)分別：柱端彎矩增大系數(shù)，一、二、三級(jí)分別 取取1.41.4、1.21.2、1.11.1 抗震等級(jí)為四級(jí)時(shí)不進(jìn)行以上調(diào)整抗震等級(jí)為四級(jí)時(shí)不進(jìn)行以上調(diào)整c rblbcdcucMMMM rbualbuadcucMM21MM .計(jì)算設(shè)計(jì)中的內(nèi)力調(diào)整：計(jì)算設(shè)計(jì)中的內(nèi)力調(diào)整：第一階段設(shè)計(jì)第一階段設(shè)計(jì)nbctcvcHMMV vcnbcuatcuaHMM21V .bctcMM 、計(jì)算設(shè)計(jì)中的內(nèi)力調(diào)整：計(jì)算設(shè)計(jì)中的內(nèi)力調(diào)整：第一階段設(shè)計(jì)第一階段設(shè)計(jì)4 4）節(jié)點(diǎn)剪力設(shè)計(jì)值）節(jié)點(diǎn)剪力設(shè)計(jì)值 頂層中間節(jié)點(diǎn)頂層中間節(jié)點(diǎn) 其他層中間節(jié)點(diǎn)和端節(jié)點(diǎn)其他層中間節(jié)點(diǎn)和端

3、節(jié)點(diǎn) 9 9度區(qū)時(shí)，還要滿(mǎn)足以下要求度區(qū)時(shí)，還要滿(mǎn)足以下要求 頂層中間節(jié)點(diǎn)頂層中間節(jié)點(diǎn) 其他層中間節(jié)點(diǎn)和端節(jié)點(diǎn)其他層中間節(jié)點(diǎn)和端節(jié)點(diǎn)sborblbjbjahMMV bsbosborblbjbjhah1ahMMVcH.sborbcalbcajahMM151V bsbosborbcalbcajhah1ahMM151VcH.jb：節(jié)點(diǎn)剪力增大系數(shù)，一級(jí)取1.35，二級(jí)取1.2計(jì)算設(shè)計(jì)中的內(nèi)力調(diào)整：計(jì)算設(shè)計(jì)中的內(nèi)力調(diào)整：第一階段設(shè)計(jì)第一階段設(shè)計(jì)第二階段設(shè)計(jì)第二階段設(shè)計(jì) 1 下列結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算： 1) 8度III、IV類(lèi)場(chǎng)地和9度時(shí)，高大的單層鋼筋混凝土柱廠(chǎng)房的橫向排架； 2) 79度時(shí)樓層屈

4、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的結(jié)構(gòu)； 4)甲類(lèi)建筑和9度時(shí)乙類(lèi)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)；2 下列結(jié)構(gòu)宜進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算： 1) 超過(guò)一定且超過(guò)一定且豎向不規(guī)則類(lèi)型的高層建筑結(jié)構(gòu)； 2)7度III、IV類(lèi)場(chǎng)地和8度時(shí)乙類(lèi)建筑中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)； 3)板柱板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)和底部框架砌體房屋； 4)高度不大于高度不大于150m的其它高層鋼結(jié)構(gòu)。 5)不規(guī)則的地下建筑結(jié)構(gòu)及地下空間不規(guī)則的地下建筑結(jié)構(gòu)及地下空間綜合體綜合體。大震作用下的變形驗(yàn)算大震作用下的變形驗(yàn)算 ppHu ：結(jié)構(gòu)在大震作用下的層間變形：結(jié)構(gòu)在大震

5、作用下的層間變形 H H ：樓層的高度：樓層的高度 ：結(jié)構(gòu)的容許最大層間變形：結(jié)構(gòu)的容許最大層間變形 框架框架 1/501/50， 框剪、框核心筒框剪、框核心筒 1/1001/100 剪力墻、筒中筒剪力墻、筒中筒 1/1201/120pu p層間位移的驗(yàn)算方法層間位移的驗(yàn)算方法1 1）彈塑性時(shí)程分析）彈塑性時(shí)程分析2 2）靜力彈塑性分析（）靜力彈塑性分析（pushpushoverover）3 3）簡(jiǎn)化計(jì)算法）簡(jiǎn)化計(jì)算法動(dòng)力時(shí)程分析的優(yōu)缺點(diǎn)動(dòng)力時(shí)程分析的優(yōu)缺點(diǎn)動(dòng)力時(shí)程分析的方程動(dòng)力時(shí)程分析的方程 1MMKCM00XXXXX M C K X0X ：體系的質(zhì)量矩陣：體系的質(zhì)量矩陣：體系的阻尼矩陣：體

6、系的阻尼矩陣：體系的剛度矩陣：體系的剛度矩陣：加速度向量：加速度向量：速度向量：速度向量：位移向量：位移向量：地震加速度：地震加速度 X X：結(jié)構(gòu)的第一、第二圓頻率：結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于第一震型和第 二震型的阻尼比（25） 鋼結(jié)構(gòu)2 鋼混結(jié)構(gòu)521、 KaMaC10212212212102a ）（2122112212a ）（21、動(dòng)力時(shí)程分析用地震波動(dòng)力時(shí)程分析用地震波newmark的法 設(shè)體系各自由度在tn時(shí)刻的位移、速度和加速度均為已知，且從tn時(shí)刻到tn+1時(shí)刻的時(shí)間內(nèi)，各自由度的加速度是線(xiàn)性變化的，則該自由度在tn+1時(shí)刻的速度和位移可以由下式求得： 1nnn1n2tXXXX 1n2n2nn1n

7、tt21tXXXXX （1）（2） 1MMKCM00XXXXX 1MKCM10n1n1n1n1n XXXX 1MKCM0nnnnnXXXX 1MKKCM10nnn1n1n1n1nXXXXX （4）（5）（6） 1MKCM10n1nn1n1nXXXX （7）nX1 nX1 nKnKKXK X 彈塑性時(shí)程分析的基本步驟彈塑性時(shí)程分析的基本步驟彈塑性時(shí)程分析的收斂計(jì)算彈塑性時(shí)程分析的收斂計(jì)算ABA A” A”彈塑性時(shí)程分析的三個(gè)層次彈塑性時(shí)程分析的三個(gè)層次1 1）層模型）層模型2 2）桿系模型）桿系模型3 3）有限元模型）有限元模型層模型的特點(diǎn)層模型的特點(diǎn)有限元模型的特點(diǎn)有限元模型的特點(diǎn)有限元模型分

8、析算例有限元模型分析算例梁、柱采用的模型梁、柱采用的模型 梁、柱構(gòu)件選擇纖維單元模梁、柱構(gòu)件選擇纖維單元模型，采用混凝土和鋼筋的單軸型，采用混凝土和鋼筋的單軸應(yīng)力應(yīng)力- -應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系直接計(jì)算構(gòu)應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系直接計(jì)算構(gòu)件的剛度。件的剛度。 梁柱纖維單元：由于梁柱纖維單元：由于ABAQUSABAQUS中沒(méi)有適用于梁柱纖維單元的中沒(méi)有適用于梁柱纖維單元的混凝土材料本構(gòu)模型，因此，混凝土材料本構(gòu)模型，因此，借助借助ABAQUSABAQUS二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，編寫(xiě)用戶(hù)材料子程序，混凝土材寫(xiě)用戶(hù)材料子程序，混凝土材料本構(gòu)模型采用料本構(gòu)模型采用ManderMander模型。模型。cccfccf0c

9、c約束混凝土約束混凝土無(wú)約束混凝土無(wú)約束混凝土ManderMander本構(gòu)模型本構(gòu)模型有限元模型分析算例有限元模型分析算例剪力墻采用的模型剪力墻采用的模型 墻體采用分層墻體采用分層殼單元?dú)卧Ｐ停撃Ｐ涂赡M模型，該模型可模擬鋼筋混凝土剪力墻面內(nèi)彎剪共同作用效應(yīng)和面外鋼筋混凝土剪力墻面內(nèi)彎剪共同作用效應(yīng)和面外彎曲效應(yīng)。一個(gè)分層殼單元可以分為很多層，各彎曲效應(yīng)。一個(gè)分層殼單元可以分為很多層，各層可根據(jù)需要設(shè)置不同的厚度和材料性質(zhì)。在有層可根據(jù)需要設(shè)置不同的厚度和材料性質(zhì)。在有限元計(jì)算過(guò)程中，首先得到殼單元中心層的應(yīng)變限元計(jì)算過(guò)程中，首先得到殼單元中心層的應(yīng)變和曲率，然后和曲率，然后根據(jù)平截面假

10、定根據(jù)平截面假定，由中心層應(yīng)變和，由中心層應(yīng)變和殼單元的曲率得到各鋼筋和混凝土層的應(yīng)變，進(jìn)殼單元的曲率得到各鋼筋和混凝土層的應(yīng)變，進(jìn)而由各層的材料本構(gòu)方程得到各層相應(yīng)的應(yīng)力，而由各層的材料本構(gòu)方程得到各層相應(yīng)的應(yīng)力，并積分得到整個(gè)殼單元的內(nèi)力。并積分得到整個(gè)殼單元的內(nèi)力。有限元模型分析算例有限元模型分析算例1122）（2E）（1E有限元模型分析算例有限元模型分析算例實(shí)體元的剛度計(jì)算方法實(shí)體元的剛度計(jì)算方法桿系模型的特點(diǎn)桿系模型的特點(diǎn)李康寧李康寧 (kangningshaw.ca)http:/members.shaw.ca/CannyNASu纖維束單軸彎曲彈簧單軸彎曲彈簧單軸剪力彈簧單軸剪力彈簧

11、單軸扭矩彈簧單軸扭矩彈簧單軸軸力彈簧單軸軸力彈簧多軸彈簧抗彎模型多軸彈簧抗彎模型多軸彈簧（多軸彈簧（MSMS）模型）模型截面纖維抗彎模型截面纖維抗彎模型截面纖維模型截面纖維模型剪力墻剪力墻+側(cè)柱單元側(cè)柱單元剪力墻彈簧單元剪力墻彈簧單元 Shear spring Beam Axial spring Beam eam Axial spring for edge column Top bending spring Base bending spring Axial spring for edge column Z X/Y Rigid link Rigid link 2 1 3 4 x z 梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)

12、剪切單元梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)剪切單元各種單軸彈簧的恢復(fù)力模型各種單軸彈簧的恢復(fù)力模型剛度衰減雙折線(xiàn)模型剛度衰減雙折線(xiàn)模型剛度衰減三折線(xiàn)模型剛度衰減三折線(xiàn)模型各種單軸彈簧的恢復(fù)力模型各種單軸彈簧的恢復(fù)力模型峰值指向三折線(xiàn)模型峰值指向三折線(xiàn)模型峰值指向三折線(xiàn)捏攏模型峰值指向三折線(xiàn)捏攏模型各種單軸彈簧的恢復(fù)力模型各種單軸彈簧的恢復(fù)力模型精細(xì)三折線(xiàn)模型精細(xì)三折線(xiàn)模型各種單軸彈簧的恢復(fù)力模型各種單軸彈簧的恢復(fù)力模型軸向剛度模型軸向剛度模型鋼材恢復(fù)力模型鋼材恢復(fù)力模型鋼材三折線(xiàn)模型鋼材三折線(xiàn)模型鋼材鋼材ramberg-Osgoodramberg-Osgood模型模型混凝土材料恢復(fù)力模型混凝土材料恢復(fù)力模型混凝土三折

13、線(xiàn)模型混凝土三折線(xiàn)模型混凝土混凝土SenzsSenzs模型模型EERI Y1 2685 Y2 Y3 Y4 X1 X11 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 5715 5715 5715 5715 5715 5715 5715 5715 6120 6120 6350 1623 1422 1422 1623 1637 1623 1423 1222 1423 1622 1622 1622 1622 1622 1622 1622 1622 1622 1622 1622 1622 1422 1422 1422 SM SM Ch.7,2 Ch.1,5 Ch.912 Ch.3,4,6,8 1F:

14、 Ch.1316 C1 C8 C9 C7 C6 C5 C3 C2 C1A C4 1622 1622 C10A C12 C19 C28 C13 C14 C15 C23 C22 C21 C20 C29 C30 C31 C32 C33 C24 C25 C26 C34 C16 C27 C36 C35 C17 C18 355mm Spandrel beam 16x22 2#9 2#9 C4C7, C30C34 Long. bar: 10#9 Hoop: #3300mm 508mm Holiday Inn in Van Nuys: Typical Floor Plan and Member Section

15、 X1 X11 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 4.115 6.769 9.423 12.08 14.73 17.39 20.04 1F 2F 3F 4F 5F 6F 7F RF SM Ch.9 0(GF) E W Ch.2 Ch.5 Ch.7 Ch.1 16 13 12 8 6 11 10 4 3 SM Frame Model and Seismometer Locations X2 Y4 X9 SM Ch.1 Ch.13 X1 Y1 SM Ch.16 Ch.15 TX TY TZi RZ L LRZTYTZTX) 1 .13.(13.15.16.ChChChChCh Inp

16、ut Acceleration from the Record at Ground Floor Level D F du U U dmax Fmax de Fmax Fe 13 D F Y 7 8 Fy Fy 7 Y 6 9 Fy Fy 6 K0 U U Ku K0 E E Ku 5 4 Unloading stiffness degradation Strength deterioration Pinching effect Idealized Force-Displacement Model for Shear Spring F dy Fy Ks Fy d Fy Fy Ks Ks dy F

17、y =0.5, =0.75 =1.8, =0.001 dsy ) 1(111 . 0000DhDhLPdddAEKPdAFzsyysyssszsysyssyy T =1.0 (core) Kc C U dc Fc d dt T O 0.5Fc dm Crack-closing effect dr= cdm, dr ud1 1, c=0.5, u=0.5 F Fc Ft dt dc d1 dr cccccFdKdKn 111nccddndKF ,zttcittzccciccPdAFPdAFzcciccPAEK2 Idealized Force-Displacement Model for Con

18、crete Spring05. 0222122222111hhakamhakamhMamKakC Rayleighs Damping: Newmark 法(=0.25, =0.5)數(shù)值積分時(shí)間間隔 T 1/200 sec (or T1/240)質(zhì)量和慣性力的處理方法：對(duì)角質(zhì)量矩陣豎向慣性力作用于各結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)水平和扭轉(zhuǎn)慣性力作用于各剛性樓板重心位置結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)（梁柱節(jié)點(diǎn)）剛性樓板重心位置數(shù)值積分法和計(jì)算假定：數(shù)值積分法和計(jì)算假定：集中質(zhì)量于： X1 X11 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 1F 2F 3F 4F 5F 6F 7F RF Steel-bar tension compres

19、sion yield Beam yield with ductility factor 2 Steel-bar tension yield Shear failure Beam yield Predicted damage distribution in South longitudinal frame 桿系模型分析算例桿系模型分析算例18001811A4200260020001800BCDE1900E2100420053380030008420028001800300024210067260093800111330001517380030002800101800121430001516180

20、03000262219300042002542002600202800 21002121002423280027293800A4200180020003000282926001900CBEDE 底層布置商鋪，按業(yè)主使用要求，底層層高6.6m，29層住宅層高2.9m，室內(nèi)外高差0.3m，建筑物總高度30.1m，不設(shè)地下室。6度地震區(qū)、類(lèi)場(chǎng)地。 桿系模型分析算例桿系模型分析算例輸入地震波的參數(shù)輸入地震波的參數(shù)桿系模型分析算例桿系模型分析算例 輸入地震波波形桿系模型分析算例桿系模型分析算例層間剪力及位移響應(yīng)分布（框架剪力墻結(jié)構(gòu)）桿系模型分析算例桿系模型分析算例層間剪力及位移響應(yīng)分布（框架剪力墻結(jié)構(gòu)）

21、桿系模型分析算例桿系模型分析算例層間剪力及位移響應(yīng)分布（純框架結(jié)構(gòu)）桿系模型分析算例桿系模型分析算例層間剪力及位移響應(yīng)分布（純框架結(jié)構(gòu)）桿系模型分析算例桿系模型分析算例桿系模型分析算例桿系模型分析算例桿系模型分析算例桿系模型分析算例結(jié)論結(jié)論1 1）框架）框架- -抗震墻結(jié)構(gòu)方案的抗震墻結(jié)構(gòu)方案的X X方向位移響應(yīng)稍大方向位移響應(yīng)稍大于于Y Y方向的位移響應(yīng)，盡管結(jié)構(gòu)的底層層高遠(yuǎn)大于方向的位移響應(yīng)，盡管結(jié)構(gòu)的底層層高遠(yuǎn)大于其他各層，結(jié)構(gòu)各層的層間位移角相差不大，沒(méi)有其他各層，結(jié)構(gòu)各層的層間位移角相差不大，沒(méi)有明顯的薄弱層。結(jié)構(gòu)的最大層間位移角在抗震規(guī)范明顯的薄弱層。結(jié)構(gòu)的最大層間位移角在抗震規(guī)范

22、對(duì)框架對(duì)框架- -抗震墻結(jié)構(gòu)規(guī)定的限值以下，在抗震墻結(jié)構(gòu)規(guī)定的限值以下，在7 7度設(shè)防對(duì)度設(shè)防對(duì)應(yīng)的罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌。應(yīng)的罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌。2 2）框架）框架- -抗震墻結(jié)構(gòu)方案中通高設(shè)置在房屋兩端抗震墻結(jié)構(gòu)方案中通高設(shè)置在房屋兩端山墻、電梯井道以及部分縱橫向框架連接處的抗震山墻、電梯井道以及部分縱橫向框架連接處的抗震墻緩和了結(jié)構(gòu)底部的剛度突變，同時(shí)限制了房屋整墻緩和了結(jié)構(gòu)底部的剛度突變，同時(shí)限制了房屋整體扭轉(zhuǎn)變形，改善了結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。體扭轉(zhuǎn)變形，改善了結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。桿系模型分析算例桿系模型分析算例結(jié)論結(jié)論3 3）框架）框架- -抗震墻結(jié)構(gòu)方案中僅設(shè)置在底層的抗抗震墻結(jié)

23、構(gòu)方案中僅設(shè)置在底層的抗震墻有效提高了底層的層間剛度和抗剪承載力，震墻有效提高了底層的層間剛度和抗剪承載力，使結(jié)構(gòu)各層的最大層間位移角響應(yīng)分布更加均勻。使結(jié)構(gòu)各層的最大層間位移角響應(yīng)分布更加均勻。4 4）框架）框架- -抗震墻結(jié)構(gòu)方案的彈塑性變形最大的抗震墻結(jié)構(gòu)方案的彈塑性變形最大的部位為端部抗震墻上所開(kāi)結(jié)構(gòu)洞口處的聯(lián)系梁；部位為端部抗震墻上所開(kāi)結(jié)構(gòu)洞口處的聯(lián)系梁；其次為與電梯間周?chē)拐饓ο噙B的聯(lián)系梁。少數(shù)其次為與電梯間周?chē)拐饓ο噙B的聯(lián)系梁。少數(shù)框架梁端出現(xiàn)了塑性鉸，但框架柱和抗震墻等豎框架梁端出現(xiàn)了塑性鉸，但框架柱和抗震墻等豎向構(gòu)件均沒(méi)有達(dá)到屈服點(diǎn)，滿(mǎn)足抗震規(guī)范所要求向構(gòu)件均沒(méi)有達(dá)到屈服點(diǎn)

24、，滿(mǎn)足抗震規(guī)范所要求的強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)墻弱梁的設(shè)計(jì)原則。的強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)墻弱梁的設(shè)計(jì)原則。桿系模型分析算例桿系模型分析算例結(jié)論結(jié)論5 5）框架）框架- -抗震墻結(jié)構(gòu)方案在雙向罕遇地震波作用下抗震墻結(jié)構(gòu)方案在雙向罕遇地震波作用下的底部剪力系數(shù)和層間位移角響應(yīng)最大值，與單向地的底部剪力系數(shù)和層間位移角響應(yīng)最大值，與單向地震波作用相比均有所增大，但增大幅度不大，表明該震波作用相比均有所增大，但增大幅度不大，表明該方案的結(jié)構(gòu)布置基本雙向?qū)ΨQ(chēng)，對(duì)主軸以外方向的地方案的結(jié)構(gòu)布置基本雙向?qū)ΨQ(chēng)，對(duì)主軸以外方向的地震波輸入也具有良好的抗震性能。震波輸入也具有良好的抗震性能。6 6）純框架方案在結(jié)構(gòu)主軸方向的罕遇地震作用下的）純框架方案在結(jié)構(gòu)主軸方向的罕遇地震作用下的最大層間剪力響應(yīng)明顯低于框架最大層間剪力響應(yīng)明顯低于框架- -抗震墻結(jié)構(gòu)，但結(jié)抗震墻結(jié)構(gòu)，但結(jié)