彈塑性分析在結構抗震分析中的應用

金土木用戶大會靜力彈塑性及動力彈塑性分析在結構抗震分析中的應用張洪偉北

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件

技

術

有

限

公

司BeijingCivilKingSoftwareTechnology

Co.,Ltd.金土木用戶大會一、靜力彈塑性分析方法（Pushover）金土木用戶大會Pushover分析在結構抗震分析中的應用1、利用Pushover分析進行結構抗震性能評估的基本思路。

?2、框架、剪力墻的模擬。

?3、模型的合理簡化。

?4、加載模式的選擇及Pushover工況定義。

?5、結果讀取、性能評價。

?6、需要關注的幾個問題。

?北

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有

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公

司BeijingCivilKingSoftwareTechnology

Co.,Ltd.金土木用戶大會1、基本思路?

建立Pushover曲線

??

選擇用于評估的地震水準

??

基本思路

?

選擇用于評估的性能水準和目標

???

為各性能水準確定容許準則?

采用特定的方法進行結構抗震性能評估?北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會建立Pushover曲線北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會選擇用于評估的地震水準北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會選擇用于評估的性能水準北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會為各性能水準確定容許準則?

容

許

準

則

即

確

認

塑

性

鉸

的

轉

動

限

值

，

可

參

考FEMA356表5-6、表5-7、表6-7、表6-8及表6-18.北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會采用特定的方法進行結構抗震性能評估?

能力譜方法（ATC40）?

目標位移法（FEMA356）北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會2、框架、剪力墻塑性行為的模擬?

框架塑性行為的模擬可以通過塑性鉸模型或者纖維模型來模擬。ETABSSAP2000塑性鉸PERFORM-3D北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會纖維模型模擬框架單元的塑性行為SAP2000纖維模型PERFORM-3D北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會框架單元的塑性鉸行為塑性鉸行為軸力鉸行為

剪力鉸行為

彎矩鉸行為北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會剪力墻塑性行為的模擬剪力墻塑性行為ETABS等框架柱?SAP2000分層殼?PERFORM-3D纖維?北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會SAP2000分層殼模型?

基于復合材料力學原理將一個殼單元分成很多層?

每層根據需要設置不同的厚度和材料?

殼單元各層材料在厚度方向滿足平截面假定?

全面反映殼體結構的空間力學性能北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會2剪力墻混凝土鋼筋22剪力墻混凝土縱向鋼筋橫向鋼筋料主軸方向22剪力墻分層殼模型混凝土層縱向鋼筋層橫向鋼筋層技

術

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司BeijingCivilKingSoTechnology

Co.,Ltd.金土木用戶大會ETABS等代框架模型?

由于早期版本的SAP2000以及目前的ETABS程序中，只提供了桿件單元的塑性鉸模型，沒有殼面的彈塑性模型，對于含剪力墻結構的Pushover分析需要用等代框架代替剪力墻。按照性能等效、內力等效的原則，將墻體等效為框架，并指定塑性鉸來模擬剪力墻的塑性行為。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會整截面剪力墻、整體小開口剪力墻等代?

當剪力墻上不開洞或者洞口較小時，洞口對剪力墻內力分布的影響不大，這時剪力墻猶如一根豎直放置的懸臂梁，在側向荷載作用下墻肢截面的應力及墻肢變形可直接套用材料力學公式計算。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會雙肢剪力墻及多肢剪力墻等代?

雙肢剪力墻或多肢剪力墻水平截面的正應力已經不再呈一連續(xù)的直線分布，各墻肢之間的連梁既傳遞水平推向力，又傳遞剪力和彎矩。由于高層建筑層數多，從整體上看，連梁即多又密，因此可近似將有限多的連梁看成是沿豎向無限密布的連續(xù)柵片。連續(xù)柵片在層高范圍內的總抗彎剛度與原結構中連梁的抗彎剛度相等。墻肢軸線連續(xù)柵片等效柱等效柱北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會壁式框架的等代?

當剪力墻的洞口尺寸較大，甚至于洞口上下梁的剛度大于洞口側邊墻的剛度時，剪力墻的受力特性接近于框架。在等代的過程中只需要計算剛臂的尺寸即可，剪力墻墻肢和連梁用相同尺寸的柱、梁代替。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會即將推出的ETABS新版本將會采用分層殼模型解決剪力墻的塑性模擬問題?。”?/p>

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Co.,Ltd.金土木用戶大會Perform-3D纖維截面?

Perform3D提供了剪力墻纖維截面來模擬剪力墻的P-M相關行為。鋼筋混凝土剪力墻由鋼筋纖維和混凝土纖維組成

。鋼筋纖維可以屈服，可以模擬鋼筋纖維屈服后的剛度滯回退化效應；混凝土可以開裂，同時可以滑移。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會?

對于剪力墻的剪切行為，在PERFORM-3D中需要定義等效剪切模量來綜合考慮混凝土和鋼筋的共同作用。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會3、Pushover模型的合理簡化?

用于Pushover分析的結構模型，應該充分體現結構行為的三維特征。質量分布強度剛度北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會塑性行為指定的簡化處理對于一些次要構件可不指定相應的塑性行為，簡化推覆計算模型。對結構中的薄弱位置或對結構性能評估有重要意義的構件指定相應的塑性行為。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會4、側向力加載模式和荷載工況?

側向荷載的分布代表在設計地震作用下結構層慣性力的分布，側向荷載的分布模式直接影響Pushover的分析結果，因此側向荷載模式的選取是Pushover分析中的一個關鍵問題。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會側向力加載模式UniformMode

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Co.,Ltd.金土木用戶大會?

事實上，任何一種側向力分布模式都不可能反映結構全部的變形和受力要求。建議采用兩種側向力加載模式分別執(zhí)行推覆分析，從而更全面的了解結構的抗震性能。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會對于非對稱空間結構，增加推覆工況前側推覆非對稱模型右側推覆左側推覆后側推覆北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會5、結果的讀取、性能評價Pushover曲線??性能點Pushover分析結果分層殼結果（限SAP2000）??鉸結果北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會Pushover曲線北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會性能點??北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會Ca、Cv參數確定?

Ca與Cv為UBC規(guī)范反應譜與中國規(guī)范反應譜轉換參數2.5Ca

=η

α2

maxCa

Cvr?

T

?Cv=gη2αmax?

?TT?

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Co.,Ltd.金土木用戶大會結構行為類型地震持時

新建筑

一般現存建筑

現存老建筑短長Type

A

Type

BType

B

Type

CType

CType

C北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會鉸結果北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會分層殼結果?

在完成整個結構的Pushover分析之后，分層殼的塑性行為可以通過如下幾個方面的信息來獲取：?

1）推覆過程中每一步的殼元的應力變化；?

2）自定義繪圖函數顯示分層殼元的基底剪力-檢測點位移。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會單片墻Pushover分析中混凝土層的應力變化②①③基底剪力達到最大值上升段：受拉區(qū)拉應力和受壓區(qū)壓應力不斷增加受壓區(qū)混凝土壓潰，受壓區(qū)邊緣壓力應逐漸減小，平面壓應力峰值向內側移動北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會結構性能評估?

根據Pushover曲線和求得的性能點，檢查結構在性能點的基底剪力、頂點位移，并利用結構的最大層間位移角限值來評估結構在既定地震作用下的延性性能，從而判斷結構的抗震能力是否達到既定地震作用下的要求。?

除了檢查結構的整體性能，還應檢查構件的局部變形，即梁、柱等構件的塑性鉸變形。根據定義鉸時給定的能力狀態(tài)（點B、C、D、E）和容許準則（IO、LS、CP），檢查鉸的變形是否超過某性能水準下的允許彈塑性變形。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會用于評價結構抗震性能的基底剪力-頂點位移曲線。CPLSCDIOBA用于評價結構構件塑性性能的塑性鉸力-位移曲線E北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會6、需要關注的幾個問題1）分析結果無性能點？2）采用單一側向加載方式？3）重力荷載？4）設計之前可否進行推覆？5）P-Delta效應是否考慮？6）處處加鉸行為是否可行？北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會二、動力彈塑性分析金土木用戶大會1、利用動力彈塑性分析方法對結構進行抗震性能評估的基本思路；2、動力彈塑性模型中構件塑性行為的定義；3、塑性鉸的滯回屬性；4、地震波的選??；5、時程積分類型；6、抗震性能評價；8、需要關注的問題。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會1、基本思路?

建立動力彈塑性分析模型?

選擇用于評估的地震水準?

基本思路?

選擇用于評估的性能水準和目標?

為各性能水準確定容許準則?

采用特定的方法進行結構抗震性能評估北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會2、動力彈塑性分析模型中構件塑性行為的定義框架塑性鉸或者纖維截面?

SAP2000剪力墻分層殼框架塑性鉸或者纖維截面纖維截面表征壓彎效應?

Perform3D剪力墻綜合的剪切材料表征剪切行為北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會3、塑性鉸的滯回屬性?

SAP2000目前的版本中提供了塑性鉸的四種滯回類型。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會?

Perform-3D中是基于YULRX曲線的滯回環(huán)類型。在循環(huán)荷載的作用下，非線性構件的耗散能量，耗散能量的大小為滯回環(huán)的面積，滯回環(huán)的大小和形狀將很大程度上影響結構的反應。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會4、地震波的選取?

選取一條人工波和兩條天然波對結構進行地震時程分析。?

選取的地震波要滿足地震三要素的要求，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間。?

選取的地震波在經過轉化調整后得到的彈性反應譜與規(guī)范的設計反應譜盡量的吻合。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會5、時程積分類型?

SAP2000中定義的彈塑性時程分析工況中，時程類型要選擇“直接積分”，振型積分僅能考慮連接單元的非線性屬性，而無法考慮構件的非線性屬性。?

Perfom3D同樣采用直接積分法（Step

by

Step）北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會6、抗震性能評估?

結構的性能通常是以層間彈塑性位移角衡量；?

根據平均需求/能力比判斷；36323632242024201612816128Elc-220g-YElc-220g-X-44North-220g-Y-001/20001/1000

1/666

1/500

1/400

1/333

1/285

1/250X向層間位移1/2000

1/1000

1/666

1/500

1/400

1/333

1/285

1/250

0045Y向層間位移北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會?

局部構件的抗震性能評估1、時程響應歷程中構件塑性鉸的形成、發(fā)展到破壞過程，找出最大的塑性變形同初始設定的性能目標進行比較。2、根據設定的不同材料纖維的拉、壓屈服來表征。北

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Co.,Ltd.金土木用戶大會7、需要關注的問題1）材料的非線性行為？2）地震波的選?。?）骨架曲線與滯回曲線的區(qū)別？4）時程類型的定義；5）分析不收斂？北

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