push-over分析法综述.doc

Push-over方法具体实现中的几个问题讨论Push- over方法是近年来在国外得到广泛应用的一种结构抗震能力评价新方法，既考虑了计算的简便性，避免了以往非线性动力分析的繁琐，又兼顾了构件的弹塑性性能，具有良好的准确性，成为目前抗震设计方法研究热点。国内外许多组织将其纳入抗震规范，如美国的ATC-40、欧洲的Eurocodes 8规范以及我国的建筑抗震设计规范（GB 50011-2001）等。建立合理的分析模型、确定施加水平荷载的加载模式、构件截面的屈服内力以及停止加载的条件是实现Push- over方法的关键。Push-over分析法及其与非线性动力分析法的对比 Push-over法正是顺应了这些要求，近些年兴起的一种地震分析方法。它主要是作为一种结构抗震性能的评估方法，而不是作为设计结构构件的替换方法。它可以帮助我们更好地了解结构的内部反应机制，给出有关结构强度极限、相应变形、强度分配不连续性以及可能遭受严重破坏的部位等有关信息。Push-over分析方法在双柱桥墩抗震性能评价上的应用对于桥梁结构抗震分析主要是对墩柱抗震性能的研究。目前常用的方法包括线弹性反应谱法、弹塑性动力时程分析法、等效静力分析法等。线弹性反应谱法由于难以正确反映结构开裂后的非弹性阶段的特性，其应用范围受到一定限制；弹塑性时程分析方法由于需要准备包括场地地震波等在内的大量数据，且其计算繁琐，难以在实际工程应用中广泛推广；等效静力分析方法由于其计算过程简单、而且实用因而在桥梁抗震分析中已得到广泛应用。Push-over方法则是应用最多的等效静力分析方法，但目前国内在这方面的研究很少。有关Push-over分析方法的思想其实在很早时就已提出，当时主要用于理论研究。Imbsen和Penzien等提出用于桥梁的抗震能力评估。1975年,Freeman等人在Push-over分析方法中引入了地震需求谱和能力谱曲线的概念,发展了Push-over分析方法，并促进了Push-over分析方法在结构抗震性能评估等方面的应用推广。本文将Push-over分析方法应用于双柱墩横向抗震性能的分析。对于结构形式简单的桥墩，采用在质心处施加集中力的地震力分布方式，并且在非线性或非弹性效应出现之前所有力和变形是成比例的，通过塑性铰的逐步形成方式来形成结构的倒塌过程。评价墩柱抗震性能计算过程：(1)准备数据、确定模型。包括建立结构模型，确定结构尺寸、材料特性和恢复力模型及估计塑性铰可能出现的部位；(2)计算结构所承受的重力荷载，及可能出现塑性铰的部位在不同竖向轴力荷载水平下的M-关系，根据得到的有效刚度计算墩底反力与弯矩分布；(3)按最早出现塑性铰位置处的屈服弯矩与上步得到弯矩图中的数值的比例确定侧向力大小、轴力水平变化，重新计算M-关系、有效刚度，直至有效刚度与轴力水平收敛，确定第1个塑性铰出现的位置和极限弯矩、极限曲率、侧向力、墩顶位移，以及此时其它各潜在塑性铰处的剩余能力。(4)按出现塑性铰后的结构修改模型，假定有效刚度不再变化，只进行轴力水平增量迭代，根据上步得到的各潜在塑性铰处的剩余能力，确定侧向力、墩顶位移的增量；(5)重复第4步,直至形成全倒塌机制；(6)计算结构的最大允许侧向力及侧向位移，并与需求位移比较，确定结构状态。Pushover分析的基本原理和设计方法Pushover分析方法是一种将静力弹塑性分析与反应谱相结合、进行图解的计算方法；也是实现基于性能抗震设计的重要方法。结构静力弹塑性分析的基本原理：Pushover分析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，来分析结构的薄弱位置及其它非线性状态的反应，以判断在可能地震作用下结构及构件的变形能力能否满足设计及使用功能的要求。对于一般建筑结构，地震反应以第一振型为主，可用等效单自由度体系代替原结构。因此可以将基底剪力-位移曲线（V-u曲线）转换为谱加速度-谱位移曲线（Sa-Sd-曲线），即能力谱曲线。性能点的确定：将能力谱曲线和某水准地震的需求谱画在同一坐标系中，两曲线的交点称为性能点。通过性能点来检验结构的抗震能力。若两曲线无交点，说明抗震能力不足，若两曲线相交，交点对应的位移即为等效单自由度体系的谱位移。将谱位移转化成原结构的顶点位移，根据规V-u曲线即可确定结构塑性铰分布，然后修改设计方案或加固原方案。由于任何一种荷载分布形式都不可能全部反映结构全部的变形和受力要求，因此，在对结构进行弹塑性分析（Pushover分析）时，需至少用两种以上的侧向加载模式。基于性能的结构抗震设计是结构设计发展要求，其目标就是使结构在各种可能的地震情况下达到最佳损益值，而结构静力弹塑性分析（Pushover）是目前较流行的结构抗震性能评估计算方法。桥梁结构push-over方法抗震性能研究本文从实际桥梁结构出发，利用8条具有代表性的地震记录得到的抗震能力曲线与push-over方法得到的能力曲线进行比较，以论证push-over方法是否可以给出桥梁结构平均意义上的评价结果。许多研究表明，对于响应以第一振型为主的结构，该方法可以得到较合理的结构最大地震反应。因此从本质上说，push-over分析方法是一种静力非线性方法。其应用范围集中于对现有结构或结构设计方案进行抗侧力能力的验算，从而得到其抗震能力的估计。利用push-over方法得到的结构能力曲线，可以用一条剪力-位移曲线来表示，得到该曲线后，把它转换成等效单自由度体系的谱加速度和谱位移曲线，即能力谱曲线；地震地面运动对结构的要求即地震需求谱可由反应谱曲线（伪加速度-周期形式）转换成地震需求谱曲线（伪加速度-位移形式）而得到，把结构的能力谱与地震需求谱画在一个坐标系中，可以评价桥梁结构的抗震性能。若地震需求谱曲线和结构能力曲线没有交点，则说明桥梁结构的抗震能力不足，需修改设计。但非线性时程反应分析计算仅仅是对一个特殊地震动输入下桥梁模型的反应计算，一个给定的桥墩在实际地震事件中，其强度、频谱、持时组成以及时间变化特征具有很大的不确定性，因此应采用一系列有代表性的地面运动输入才能揭示桥梁结构的变化规律，为此选取8条具有代表性的地震动记录对算例进行非线性地震反应分析，并把桥梁结构动力时程分析得到的抗震能力曲线与push-over方法得到的能力曲线绘在一起进行比较，从而评价push-over分析方法的可用性。非弹性反应谱可以通过两种方法得到：一是通过大量统计计算；二是通过强度折减系数，对弹性反应谱进行折减。理论上采用第一种方法较好，但是要做大量统计工作，且地震记录有限，不能得到一般意义上的非弹性反应谱。本文采用第二种方法，根据我国公路工程抗震设计规范给出的弹性反应谱，利用强度折减系数构造非弹性需求谱。大跨径斜拉桥索塔静力弹塑性分析斜拉桥为柔性结构，基本周期较长，在地震作用下的受力一般不会很大，但在罕遇地震作用下，塔柱有可能屈服进入塑性工作阶段。索塔由于斜拉索的约束，刚性大大增强，以主塔振动为主的振型出现的较晚，斜拉索对主塔纵向的约束远远大于横向，以主塔纵向振动为主的振型远远落后于横向。对索塔而言，结构横桥向响主要由其第二振型控制。本文选取刚度相对较弱的索塔横向进行push-over分析。考虑到主梁横向振动使斜拉索产生对索塔的水平推力而采用均布荷载模式，参照一般梁桥桥墩所采用的水平荷载模式，最终采用均布、倒三角和塔顶集中力三种水平荷载模式对主塔进行横桥向静力弹塑性推倒分析，考虑斜拉索对索塔的横向约束及主梁振动对主塔影响的等效结构。通过自振频率与原结构相等的原则，对索塔锚固点及索塔与主梁之间的横向限位支座点处附加刚度和附加质量。均布荷载模式下，整个结构塑性得到充分发挥，倒塌时需要的总水平力最大，而塔顶集中力荷载模式下，主塔倒塌时的总水平力最小。塔顶集中力水平荷载模式是偏于保守的一种极限状态。由斜拉桥动力特性分析可以获得斜拉桥南塔横向振动的振型函数，将已经获得的push-over分析曲线转换成A-D（Acceleration-Displacement）格式能力曲线。能力谱与不同的需求反应谱相交。最终要在这些交点中，确定出一个作为相点。在一个交点处，由能力谱计算得到的延性系数应当与需求反应谱的延性值匹配。静力弹塑性分析（Push-over）方法的应用与评价Push-over分析是对结构施加能近似反映结构动力特性及其变化的、单调增长的水平荷载，逐步进行弹塑性分析，直到结构达到目标位移或形成倒塌机制状态。能力谱方法：可以将push-over分析与地震反应谱结合，来确定一定地面运动作用下的反应值，从而评价结构结构的抗震性能。该方法最先由Freeman提出，ATC-33、ATC-40、以及FEMA-274中都推荐使用能力谱方法。这种方法是将push-over分析得到的力和位移的关系曲线转换为结构的能力谱，并将其与代表地震需求的反应谱相比较，来评价结构的抗震性能。笔者认为有两点值得商榷：第一，设计反应谱是单自由度体系的地震反应，而能力曲线是对结构（多自由度体系）进行分析得到的。这两者之间的可比性值得考虑；第二，设计反应谱为弹性反应谱，采用弹塑性反应谱更为合理。Push-over方法与一般的静力非线性方法不同之处从理论上说具体体现为，水平力的大小随结构周