浅谈静力弹塑性分析(pushover)及理解与应用

浅谈静力弹塑性分析(pushover)及理解与应用

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1、浅谈静力弹塑性分析(Pushover)的理解与应用摘要:本文首先介绍采用静力弹塑性分析(Pushover)的主要理论基础和分析方法,以Midas/Gen程序为例,采用计算实例进行具体说明弹塑性分析的步骤和过程,表明Pushover是罕遇地震作用下结构分析的有效方法。关键词:静力弹塑性PushoverMidas/Gen能力谱需求谱性能点一、基本理论静力弹塑性分析方法,也称Pushover分析法,是基于性能评估现有结构和设计新结构的一种静力分析方法,在一定精度范围内对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析。简要地说,在结

2、构计算模型上施加按某种规则分布的水平侧向力或侧向位移,单调加荷载(或位移)并逐级加大;一旦有构件开裂(或屈服)即修改其刚度(或使其退出工作),进而修改结构总刚度矩阵,进行下一步计算,依次循环直到控制点达到目标位移或建筑物倾覆为止,得到结构能力曲线,之后对照确定条件下的需求谱,并判断是否出现性能点,从而评价结构是否能满足目标性能要求。Pushover分析的基本要素是能力谱曲线和需求谱曲线,将两条曲线放在同一张图上,得出交会点的位移值,同位移容许值比较,检验是否满足特定地震作用下的弹塑性变形要求。能力谱曲线由能力曲线(基

3、底剪力-顶点位移曲线)转化而来(图1)。与地震作用相应的结构基底剪力与结构加速度为正相关关系,顶点位移与谱位移为正相关关系,两种曲线形状一致。其对应关系为:,图1基底剪力-顶点位移曲线转换为能力谱曲线其中、、分别为第一阵型的质量系数,参与系数、顶点位移。该曲线与主要建筑材料的本构关系曲线具有相似性,其实其物理意义亦有对应,在初始阶段作用力与变形为线性关系,随着作用力的增大,逐渐进入弹塑性阶段,变形显著增长,不论对于构件,还是结构整体,都是这个规律。需求谱曲线由标准的加速度响应谱曲线转化而来。标准的加速度响应谱纵坐标为

4、谱加速度,横坐标为周期,将横坐标替换为谱位移,可得到加速度-位移反应谱,即需求反应谱(图2)。周期与谱位移的对应关系为:图2加速度响应谱转换为需求谱该对应关系的物理意义是:在给定加速度作用下,随着结构位移的增大,构件的开裂、塑性铰发展,结构总刚度矩阵发生变化,结构自振周期延长,位移与周期有确定的对应关系,在大多数情况下,随着结构位移的增大,地震响应呈下降趋势。从能力谱曲线与需求谱曲线的图表中可以看出,他们都是以加速度谱对位移谱的坐标来绘制,从某种意义上说,能力谱代表着结构本身的承载能力,需求谱代表着特定烈度下的地震作

5、用响应。将这两种曲线合并到一张坐标系中(图3),两曲线的交点称为性能点,性能点对应的位移即为该地震作用下的谱位移,谱位移可按原式换算成结构顶点位移,根据该位移在能力曲线中的位置,即可确定结构在该地震作用下的塑性铰分布、杆端截面曲率、层间侧移及总侧移等信息。图3能力谱与需求谱二、计算实例采用结构有限元程序Midas/Gen(7.95版本),以某简化工程概况为例。该工程为15层框架剪力墙形式的钢筋混凝土结构,一层层高4.5m,其余各层3.6m,平面布置如图4所示。框架柱截面为600mx600mm,混凝土强度等级C40,框

6、架梁截面250mmx600mm,混凝土强度等级C30,剪力墙截面厚度250mm。梁、柱主筋采用HRB400,箍筋HPB235,剪力墙分布筋HPB235。抗震设防烈度8度(0.20g),第二组,场地类别二类。该建筑为乙类建筑,根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010),宜进行弹塑性变形验算。图4结构平面布置根据上述概况建立有限元模型,在有限元建模过程中,需要注意以下几个问题:1、定义静力荷载工况并将静力荷载按组合系数转化为质量。2、结构底部按固接定义边界条件。3、楼、屋面荷载的分配。4、定义风荷载工况。5、定

7、义反应谱函数及X、Y方向反应谱荷载工况。建模完毕并进行分析控制数据的确定后,就可以进行模态的分析了。首先进行多遇地震作用下的弹性分析,分析结果显示结构在与反应谱相应的地震作用下的结构响应,包括结构的振型、周期、楼层剪力、楼层侧向刚度、层间侧移、总侧移等结构总体信息。同时,对于每个单个构件,可以查询单元细部不同截面的应力应变水平。由此,可以得知在多遇地震下,结构的弹性验算是否可以满足抗震设防目标三水准中的众值烈度下,建筑处于正常使用状态的要求。之后进行结构在罕遇地震下的静力弹塑性(Pushover)分析。在进行Push

8、over的分析之前,需要根据抗震等级、材料选用、材料特性、分项系数等条件,设计构件的配筋,并把这些配筋信息导入到结构构件中,配筋是混凝土结构整体具有弹塑性能的核心要素。Pushover主控数据(图5)定义初始荷载(初始荷载的比例系数按照重力荷载代表值组合系数),定义迭代次数和收敛标准。在Pushover荷载工况的设置中(图6),本例采用顶点位移

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