弹塑性分析在结构抗震分析中的应用

金土木用户大会静力弹塑性及动力弹塑性分析在结构抗震分析中的应用张洪伟北

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有

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Co.,Ltd.金土木用户大会一、静力弹塑性分析方法（Pushover）金土木用户大会Pushover分析在结构抗震分析中的应用1、利用Pushover分析进行结构抗震性能评估的基本思路。

›2、框架、剪力墙的模拟。

›3、模型的合理简化。

›4、加载模式的选择及Pushover工况定义。

›5、结果读取、性能评价。

›6、需要关注的几个问题。

›北

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Co.,Ltd.金土木用户大会1、基本思路•

建立Pushover曲线

›•

选择用于评估的地震水准

›•

基本思路

•

选择用于评估的性能水准和目标

››•

为各性能水准确定容许准则•

采用特定的方法进行结构抗震性能评估›北

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土件

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Co.,Ltd.金土木用户大会建立Pushover曲线北

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Co.,Ltd.金土木用户大会选择用于评估的地震水准北

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Co.,Ltd.金土木用户大会选择用于评估的性能水准北

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Co.,Ltd.金土木用户大会为各性能水准确定容许准则•

容

许

准

则

即

确

认

塑

性

铰

的

转

动

限

值

，

可

参

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.金土木用户大会采用特定的方法进行结构抗震性能评估•

能力谱方法（ATC40）•

目标位移法（FEMA356）北

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Co.,Ltd.金土木用户大会2、框架、剪力墙塑性行为的模拟•

框架塑性行为的模拟可以通过塑性铰模型或者纤维模型来模拟。ETABSSAP2000塑性铰PERFORM-3D北

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Co.,Ltd.金土木用户大会纤维模型模拟框架单元的塑性行为SAP2000纤维模型PERFORM-3D北

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Co.,Ltd.金土木用户大会框架单元的塑性铰行为塑性铰行为轴力铰行为

剪力铰行为

弯矩铰行为北

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Co.,Ltd.金土木用户大会剪力墙塑性行为的模拟剪力墙塑性行为ETABS等框架柱›SAP2000分层壳›PERFORM-3D纤维›北

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Co.,Ltd.金土木用户大会SAP2000分层壳模型•

基于复合材料力学原理将一个壳单元分成很多层•

每层根据需要设置不同的厚度和材料•

壳单元各层材料在厚度方向满足平截面假定•

全面反映壳体结构的空间力学性能北

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Co.,Ltd.金土木用户大会2剪力墙混凝土钢筋22剪力墙混凝土纵向钢筋横向钢筋料主轴方向22剪力墙分层壳模型混凝土层纵向钢筋层横向钢筋层技

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Co.,Ltd.金土木用户大会ETABS等代框架模型•

由于早期版本的SAP2000以及目前的ETABS程序中，只提供了杆件单元的塑性铰模型，没有壳面的弹塑性模型，对于含剪力墙结构的Pushover分析需要用等代框架代替剪力墙。按照性能等效、内力等效的原则，将墙体等效为框架，并指定塑性铰来模拟剪力墙的塑性行为。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会整截面剪力墙、整体小开口剪力墙等代•

当剪力墙上不开洞或者洞口较小时，洞口对剪力墙内力分布的影响不大，这时剪力墙犹如一根竖直放置的悬臂梁，在侧向荷载作用下墙肢截面的应力及墙肢变形可直接套用材料力学公式计算。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会双肢剪力墙及多肢剪力墙等代•

双肢剪力墙或多肢剪力墙水平截面的正应力已经不再呈一连续的直线分布，各墙肢之间的连梁既传递水平推向力，又传递剪力和弯矩。由于高层建筑层数多，从整体上看，连梁即多又密，因此可近似将有限多的连梁看成是沿竖向无限密布的连续栅片。连续栅片在层高范围内的总抗弯刚度与原结构中连梁的抗弯刚度相等。墙肢轴线连续栅片等效柱等效柱北

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Co.,Ltd.金土木用户大会壁式框架的等代•

当剪力墙的洞口尺寸较大，甚至于洞口上下梁的刚度大于洞口侧边墙的刚度时，剪力墙的受力特性接近于框架。在等代的过程中只需要计算刚臂的尺寸即可，剪力墙墙肢和连梁用相同尺寸的柱、梁代替。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会即将推出的ETABS新版本将会采用分层壳模型解决剪力墙的塑性模拟问题！！北

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Co.,Ltd.金土木用户大会Perform-3D纤维截面•

Perform3D提供了剪力墙纤维截面来模拟剪力墙的P-M相关行为。钢筋混凝土剪力墙由钢筋纤维和混凝土纤维组成

。钢筋纤维可以屈服，可以模拟钢筋纤维屈服后的刚度滞回退化效应；混凝土可以开裂，同时可以滑移。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会•

对于剪力墙的剪切行为，在PERFORM-3D中需要定义等效剪切模量来综合考虑混凝土和钢筋的共同作用。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会3、Pushover模型的合理简化•

用于Pushover分析的结构模型，应该充分体现结构行为的三维特征。质量分布强度刚度北

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Co.,Ltd.金土木用户大会塑性行为指定的简化处理对于一些次要构件可不指定相应的塑性行为，简化推覆计算模型。对结构中的薄弱位置或对结构性能评估有重要意义的构件指定相应的塑性行为。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会4、侧向力加载模式和荷载工况•

侧向荷载的分布代表在设计地震作用下结构层惯性力的分布，侧向荷载的分布模式直接影响Pushover的分析结果，因此侧向荷载模式的选取是Pushover分析中的一个关键问题。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会侧向力加载模式UniformMode

1北

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Co.,Ltd.金土木用户大会•

事实上，任何一种侧向力分布模式都不可能反映结构全部的变形和受力要求。建议采用两种侧向力加载模式分别执行推覆分析，从而更全面的了解结构的抗震性能。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会对于非对称空间结构，增加推覆工况前侧推覆非对称模型右侧推覆左侧推覆后侧推覆北

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Co.,Ltd.金土木用户大会5、结果的读取、性能评价Pushover曲线››性能点Pushover分析结果分层壳结果（限SAP2000）››铰结果北

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Co.,Ltd.金土木用户大会Pushover曲线北

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Co.,Ltd.金土木用户大会性能点››北

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Co.,Ltd.金土木用户大会Ca、Cv参数确定•

Ca与Cv为UBC规范反应谱与中国规范反应谱转换参数2.5Ca

=η

α2

maxCa

Cvr⎛

T

⎞Cv=gη2αmax⎜

⎟TT⎝

⎠北

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Co.,Ltd.金土木用户大会结构行为类型地震持时

新建筑

一般现存建筑

现存老建筑短长Type

A

Type

BType

B

Type

CType

CType

C北

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Co.,Ltd.金土木用户大会铰结果北

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Co.,Ltd.金土木用户大会分层壳结果•

在完成整个结构的Pushover分析之后，分层壳的塑性行为可以通过如下几个方面的信息来获取：•

1）推覆过程中每一步的壳元的应力变化；•

2）自定义绘图函数显示分层壳元的基底剪力-检测点位移。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会单片墙Pushover分析中混凝土层的应力变化②①③基底剪力达到最大值上升段：受拉区拉应力和受压区压应力不断增加受压区混凝土压溃，受压区边缘压力应逐渐减小，平面压应力峰值向内侧移动北

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Co.,Ltd.金土木用户大会结构性能评估•

根据Pushover曲线和求得的性能点，检查结构在性能点的基底剪力、顶点位移，并利用结构的最大层间位移角限值来评估结构在既定地震作用下的延性性能，从而判断结构的抗震能力是否达到既定地震作用下的要求。•

除了检查结构的整体性能，还应检查构件的局部变形，即梁、柱等构件的塑性铰变形。根据定义铰时给定的能力状态（点B、C、D、E）和容许准则（IO、LS、CP），检查铰的变形是否超过某性能水准下的允许弹塑性变形。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会用于评价结构抗震性能的基底剪力-顶点位移曲线。CPLSCDIOBA用于评价结构构件塑性性能的塑性铰力-位移曲线E北

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Co.,Ltd.金土木用户大会6、需要关注的几个问题1）分析结果无性能点？2）采用单一侧向加载方式？3）重力荷载？4）设计之前可否进行推覆？5）P-Delta效应是否考虑？6）处处加铰行为是否可行？北

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Co.,Ltd.金土木用户大会二、动力弹塑性分析金土木用户大会1、利用动力弹塑性分析方法对结构进行抗震性能评估的基本思路；2、动力弹塑性模型中构件塑性行为的定义；3、塑性铰的滞回属性；4、地震波的选取；5、时程积分类型；6、抗震性能评价；8、需要关注的问题。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会1、基本思路•

建立动力弹塑性分析模型•

选择用于评估的地震水准•

基本思路•

选择用于评估的性能水准和目标•

为各性能水准确定容许准则•

采用特定的方法进行结构抗震性能评估北

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Co.,Ltd.金土木用户大会2、动力弹塑性分析模型中构件塑性行为的定义框架塑性铰或者纤维截面•

SAP2000剪力墙分层壳框架塑性铰或者纤维截面纤维截面表征压弯效应•

Perform3D剪力墙综合的剪切材料表征剪切行为北

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Co.,Ltd.金土木用户大会3、塑性铰的滞回属性•

SAP2000目前的版本中提供了塑性铰的四种滞回类型。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会•

Perform-3D中是基于YULRX曲线的滞回环类型。在循环荷载的作用下，非线性构件的耗散能量，耗散能量的大小为滞回环的面积，滞回环的大小和形状将很大程度上影响结构的反应。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会4、地震波的选取•

选取一条人工波和两条天然波对结构进行地震时程分析。•

选取的地震波要满足地震三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间。•

选取的地震波在经过转化调整后得到的弹性反应谱与规范的设计反应谱尽量的吻合。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会5、时程积分类型•

SAP2000中定义的弹塑性时程分析工况中，时程类型要选择“直接积分”，振型积分仅能考虑连接单元的非线性属性，而无法考虑构件的非线性属性。•

Perfom3D同样采用直接积分法（Step

by

Step）北

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Co.,Ltd.金土木用户大会6、抗震性能评估•

结构的性能通常是以层间弹塑性位移角衡量；•

根据平均需求/能力比判断；36323632242024201612816128Elc-220g-YElc-220g-X-44North-220g-Y-001/20001/1000

1/666

1/500

1/400

1/333

1/285

1/250X向层间位移1/2000

1/1000

1/666

1/500

1/400

1/333

1/285

1/250

0045Y向层间位移北

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Co.,Ltd.金土木用户大会•

局部构件的抗震性能评估1、时程响应历程中构件塑性铰的形成、发展到破坏过程，找出最大的塑性变形同初始设定的性能目标进行比较。2、根据设定的不同材料纤维的拉、压屈服来表征。北

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Co.,Ltd.金土木用户大会7、需要关注的问题1）材料的非线性行为？2）地震波的选取？3）骨架曲线与滞回曲线的区别？4）时程类型的定义；5）分析不收敛？北

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