塑性铰在高层建筑结构抗震中的计算分析与应用
建筑工程多层或高层结构抗震设计
建筑工程多层或高层结构抗震设计摘要:运用现代科学技术手段来减轻和防止地震灾害,对建筑结构进行抗震设计是一种积极有效的方法。
所以,以下是笔者对当前建筑结构抗震设计的几点看法探讨。
关键词:建筑工程,结构,抗震设计Abstract: using the modern science and technology to reduce and prevent earthquake disaster, the structure aseismatic design is a kind of effective method. So here is the author of the current structural seismic design Suggestions to explore.Keywords: construction project, the structure, the seismic design建筑物本身又是一个庞大复杂的系统,在遭受地震作用后其破坏机理和破坏过程十分复杂。
且在结构分析方面,由于未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素,也存在着不确定性。
因此,建筑结构抗震设计就显得尤为重要。
1.有关抗震设计的若干概念为了保证结构的抗震安全,根据具体情况,结构单元之间应遵守牢固连接或有效分离的方法。
高层建筑的结构单元宜采取加强连接的方法。
尽可能设置多道抗震防线,强烈地震之后往往伴随多次余震,如只有一道防线,在首次破坏后在遭受余震,结构将会因损伤积累而导致倒塌。
适当处理结构构件的强弱关系,使其在强震作用下形成多道防线,并考虑某一防线被突破后,引起内力重分布的影响,是提高结构抗震性能,避免大震倒塌的有效措施。
合理布置抗侧力构件,减少地震作用下的扭转效应。
结构刚度、承载力沿房屋高度宜均匀、连续分布、避免造成结构的软弱或薄弱部位。
结构构件应具有必要的承载力、刚度、稳定性、延性及耗能等方面的性能。
某超高层建筑静力弹塑性推覆分析
某超高层建筑静力弹塑性推覆分析发布时间:2022-05-09T06:47:26.924Z 来源:《工程建设标准化》2022年37卷1月2期作者:朱伟锋[导读] 此项目位于广东省中山市,地下1层,地上共32层,总高度144.6m朱伟锋工程概况:此项目位于广东省中山市,地下1层,地上共32层,总高度144.6m,结构类型为部分框支剪力墙结构,其中第2层楼面为转换层楼面。
场地抗震设防烈度为7度,设计分组为第1组,设计基本地震加速度为0.10g,场地类别为Ⅲ类。
抗震等级:三层及三层以下为一级,三层以上为二级。
建筑物标准层结构布置如下图所示:分析模型与计算假定:分析软件采用中国建筑科学研究院的多高层建筑结构弹塑性静力、动力分析软件PUSH 。
PUSH程序是一个完全三维的有限元空间弹塑性静力分析程序,非线性梁(柱)构件单元采用标准的有限元方法(微观方法)构造,单元切线刚度直接基于混凝土材料微元和钢筋材料微元的本构关系,这种模型通常被称为纤维束模型。
非线性墙单元面内刚度采用平面应力膜,可考虑开洞,面外刚度相对次要,用简化的弹塑性板元考虑。
对于本构模型,混凝土受压考虑SAENZ曲线,忽略混凝土受拉能力;钢筋采用理想弹塑性曲线。
PUSH分析参数设置如下图所示:强度准则:采用构件承载力极限值进行计算,材料强度取平均值。
根据《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010(2015版))附录C第C.1.1条,取钢筋,混凝土强度变异系数分别为0.06,0.10,则混凝土强度fm/fk=1.20,钢筋强度fm/fk=1.10。
参考广东省标准《建筑工程混凝土结构抗震性能设计规程》(DBJ/T 15-151-2019)附录D第D.3.1条的Kent-Scott-Park模型及常规Mander 模型,对于约束混凝土强度延性提高系数,取1.20。
参考美国应用技术委员会编制的《混凝土建筑抗震评估和修复》(ATC-40),构件塑性铰的位移限值如图1。
高层建筑结构的抗震性能分析与设计
高层建筑结构的抗震性能分析与设计摘要:高层建筑的特点是高度比较高,所以地震荷载和风荷载在设计过程中占主导和控制地位,而我国又是地震多发国家,因此高层建筑的抗震设计分析显得尤为重要。
本文探讨了高层建筑结构的抗震性能分析与设计。
关键词:高层;建筑结构;抗震;性能;设计随着我国社会主义现代化建设和城市化进程的不断向前推进,建设用地日趋紧张,促使建筑能越来越多样化,高层建筑的发展是大势所趋。
高层建筑的特点是高度比较高,所以地震荷载和风荷载在设计过程中占主导和控制地位,而我国又是地震多发国家,因此高层建筑的抗震设计分析显得尤为重要。
一、高层建筑抗震设计特点1.控制建筑物的侧移是重要的指标。
在地震荷载作用下,建筑结构所产生的水平剪切力占主导地位,所以建筑物会产生明显的侧移,随建筑结构的高度不断曾加,结构的侧向位移迅速增大,但该变形要在一定限度之内,这样才能保证结构安全以及使用功能。
2.地震荷载中的水平荷载是决定因素。
水平荷载会使建筑物产生倾覆力矩,并且在结构的竖向构件中引起很大的轴力,这些都与建筑物高度的两次方成正比,故随建筑结构高度的曾加,水平载荷大相径庭。
对高度一定的建筑物而言,竖向荷载基本上是不变的,但是随着建筑物的质量.刚度等动力特性的不同,水平地震荷载和风荷载的变化是比较大的。
3.要重视建筑结构的延性设计。
高层建筑结构随着高度增加,刚度减小,显得更柔,在地震荷载作用下变形较大。
这就要求建筑结构要有足够的变形能力,使结构进入塑性变形阶段仍然安全,需要在结构构造上采取有利的措施,使得建筑结构具有足够的延性。
二、高层建筑结构抗震分析和设计的主要内容在罕遇地震作用下, 抗震结构都会部分进入塑性状态, 为了满足大震作用下结构的功能要求, 有必要研究和计算结构的弹塑性变形能力。
当前国内外抗震设计的发展趋势, 是根据对结构在不同超越概率水平的地震作用下的性能或变形要求进行设计, 结构弹塑性分析将成为抗震设计的一个必要的组成部分。
基于高层混凝土建筑抗震结构设计分析研究
基于高层混凝土建筑抗震结构设计分析研究【摘要】高层混凝土建筑抗震结构设计的现行规范无法解决人们的安全问题,强烈的地震不仅会直接破坏各种建筑物,而且还会影响社会的稳定、经济的发展。
本文主要对高层建筑抗震结构设计的结构特点、结构体系、结构布置与关系以及结构的抗震性能几个问题进行了探讨,从而完善高层混凝土建筑的结构设计。
【关键词】高层建筑;框架结构;剪力墙结构;抗震设计前言随着我国高层建筑的高速发展,结构体系日趋多样化,建筑平面布置与竖向体型也越来越复杂,这就给高层建筑结构分析和设计提出了更高的要求。
如何高效、准确地对高层结构体系进行内力分析,是结构工程师设计高层建筑结构时函待解决的重要课题。
本文通过对高层建筑结构设计过程中经常遇到的问题进行分析,为高层建筑结构抗震设计提供计算方法及理论依据。
一、高层结构的特点分析高层建筑从本质上讲是一个竖向悬臂结构,垂直荷载主要使结构产生轴向力与建筑物高度大体为线性关系;水平荷载使结构产生弯矩。
从受力特性看,垂直荷载方向不变,随建筑物的增高仅引起量的增加;而水平荷载可来自任何方向,当为均布荷载时,弯矩与建筑物高度呈二次方变化。
从侧移特性看,竖向荷载引起的侧移很小,而水平荷载当为均布荷载时,侧移与高度成四次方变化。
由此可以看出,在高层结构中,水平荷载的影响要远远大于垂直荷载的影响,水平荷载是结构设计的控制因素,结构抵抗水平荷载产生的弯矩、剪力以及拉应力和压应力应有较大的强度外,同时要求结构要有足够的刚度,使随着高随着高度增加所引起的侧向变形限制在结构允许范围内。
二、高层的结构体系选择问题分析高层建筑结构应根据建筑使用功能、房屋高度和高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地类别、地基情况、结构材料和施工技术等因素,综合分析比较,选择适宜的结构体系。
高层建筑钢筋混凝土结构可采用框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体和板柱-剪力墙结构体系。
框架结构可为建筑提供灵活布置的室内空间。
浅谈静力弹塑性分析(Pushover)的理解与应用
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 Pushover Midas/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:1/αG V S a =roofroof d X S ,11γ∆=,图1 基底剪力-顶点位移曲线转换为能力谱曲线其中1α、1γ、roof X ,1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。
MIDAS在抗震计算中的应用
MIDAS在抗震计算中的应用摘要:近年来,桥梁抗震的计算得到越来越多的重视。
利用MIDAS 软件建立抗震模型,介绍抗震设计的心得体会。
关键词:抗震Pushover 反应谱汶川地震、玉树地震等高震级地震后,许多交通要道往往因为桥梁的破坏导致救灾物资不能及时运送到灾区,这给人们留下了惨痛的教训。
因此利用新的抗震设计规范进行抗震设计是时下桥梁设计中的重点问题。
此次使用MIDAS软件建立抗震模型,分析探讨抗震计算中遇到的几点问题。
1 抗震设计Pushover介绍Pushover是一种静力弹塑性分析,或者叫非线形静力分析方法,在特定前提下,可以近似分析结构在地震作用下的性能变化情况。
由图1荷载—位移曲线我们可以看出,IO是处在正常使用状态,LS 为承载能力极限状态,CP则是完全倒塌破坏。
从IO开始结构可是进入弹塑性状态,在LS前结构整体是安全的,LS后则结构损伤无法修复,但CP前还不至于倒塌。
设计中对于不同构件部位,其性能要求是不一样的。
对于常规桥梁中的规则桥梁来说,E1地震可以采用简化反应谱方法,也可用一般的多振型反应谱方法,E2则用Pushover。
根据《公路桥梁抗震设计细则》要求,规则桥梁只需要验算墩顶位移就可以了。
单柱墩可用公式:对于双柱墩,即进行Pushover分析,根据Pushover的能力谱法找到性能点,得到墩顶位移。
抗震设计中墩柱作为延性构件设计,我们还能判断性能点对应的各塑性铰状态,设计中最好能让塑性铰处于IO和LS之间,最大限度的发挥材料的性能而结构整体确是安全可靠的。
2 MIDAS的Pushover分析模型对于双柱墩,即进行Pushover分析,根据Pushover的能力谱法找到性能点,得到墩顶位移。
本次与手算结果进行对比,验证该Pushover模型的可靠性。
Pushover分析模型建立:(1)配筋条件的输入;(2)定义pushover主控数据;(3)定义pushover工况;(4)定义铰特性值,并分配铰;(5)计算与查看pushover分析结果。
关于高层建筑结构嵌固问题
关于高层建筑结构的嵌固问题摘要:此文从理论入手,结合工程实际对高层建筑的嵌固问题做了较为详尽的论述,解决了高层建筑嵌固端位置选定及相关部位的结构计算与设计问题。
关键词:嵌固端、塑性铰、地下室高层建筑的嵌固端,亦称作固定端,即主体结构承受外力时,此位置不允许有任何变形(包括位移和转角)。
当然前提是此处的支座要能够产生足够的约束反力而不变形、不破坏。
亦即首先支座要“坚固”。
众所周知,抗震设计的目标是“小震不坏,中震可修,大震不倒”。
以上关于嵌固端的论述,在小震不坏,中震可修这两个标准中是适用的。
但是当“大震”来临,嵌固端顶面的柱脚或墙脚将达到其塑性极限弯矩,并由此产生转动,即塑性铰出现。
当然,某处截面出现塑性铰并不能使结构立即破坏,它还能继续承受增加的荷载。
当继续加荷时,先出现塑性铰的截面所承受的弯矩维持不变,产生转动,未出现塑性铰的截面所承受的弯矩继续增加,这就是塑性变形引起的结构内力重分布,塑性铰转动的过程就是内力重分布的过程。
这个过程,将使嵌固端顶面的主体结构承载力大大加强,从而实现“大震不倒”。
有一点我们必须明确:“大震不倒”时允许产生塑性铰的最低部位是嵌固端顶面以上一定范围内的柱脚、墙角,而嵌固端顶面以下则不能破坏,正如前所述“支座”要坚固。
另一方面,我们也看出,确定嵌固端的位置是非常重要的。
如图一所示:如果嵌固端选得低了,h增大,结构总水平地震力就大了,当然需要更大的强度和刚度来加强主体和支座,其结果就是不经济;如果选得高了,h小了,但该计入的水平地震力又漏掉了,自然是不安全。
当然,这只是最简单的模型。
实际工程中,尤其对于高层建筑而言,嵌固端的正确选取更是结构计算中的一个重要假定,它不仅关系到构件内力分配的准确性,而且还影响结构产生侧移的真实性,从而影响到整体结构的安全性和经济性。
嵌固端位置如此重要,如何确定呢?先看一个问题:保证建筑物矗立不动的外力从哪里来?答案只有地基和周围的土体。
随着建筑物埋深的增大,土的约束作用更趋明显,地震对结构的动力效应相对减弱。
某超限高层住宅剪力墙结构设计与抗震分析
某超限高层住宅剪力墙结构设计与抗震分析摘要:在超高层住宅建筑中,剪力墙结构为其主要的结构形式。
合理布置剪力墙,能够使超高层建筑具有更强的抗震性、舒适性和安全可靠性。
一般对于建筑高度100m以内的建筑,剪力墙布置较为简单,主要是根据建筑所需的内外墙布置,适当将这些砌体墙在合适的位置改成剪力墙,既满足建筑功能又满足结构安全需要即可。
但对于超高层建筑,尤其超限高层,由于建设方追求户型的品质,结构高宽比远大于规范值,又要求户内剪力墙尽量的薄,这就给我们结构设计带来很大的挑战。
下面就以武汉绿城·黄浦湾项目1#楼为实例介绍一下超高层住宅结构剪力墙设计及抗震分析的一些经验。
关键词:超限高层、性能目标、剪力墙、弹塑性时程1、工程概况武汉绿城·黄浦湾项目坐落武汉江岸区二七滨江商务区。
项目总占地面积47954平方米,拟建建筑面积384674平米,其中地上建筑面积279997㎡,地下建筑面积88997㎡;综合容积率5.84。
拟建建筑含6栋169.9米的超高层;3栋140米超高层;2栋100米以下高层。
本工程 1#楼地下二层,地上层数为 51 层,房屋高度为 169.90m,建筑面积24914m2,为钢筋混凝土剪力墙结构,属于 B 级高度建筑,按《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(2015 版)要求须进行结构抗震专项审查。
1#楼超限情况见下表:2、结构布置及设计理念1#楼结构标准层布置根据上图及结构超限统计表格可以看出,本工程建筑高度169.9m,接近《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ3-2010)中对6度区B级剪力墙结构高度限值(170m),结构等效高宽比8.6,超规范限值(规范限值)约45%,且该建筑位于长江边,按规范地面粗糙度取B类,风荷载较大,结构层间位移角受风荷载控制。
本工程属于江景豪宅,建筑开间较大,且要求户内剪力墙不能做的太厚(厚度不大于300mm为宜)。
为了满足建筑功能又能满足结构计算指标的要求,本工程设计时,在剪力墙布置方面采取以下措施:(1),建筑四周剪力墙加厚,按400~500mm控制,增强结构整体抗扭及抗侧能力,以满足规范位移比、位移角及刚重比等要求;(2),建筑图中A轴与M轴面需要大开间,不能设置较长的横向墙肢,为解决结构抗侧刚度不足问题,跟建筑专业协商,在阳台部位将剪力墙加厚,形成一个大端柱带一段墙肢的结构型式,既增加结构抗侧刚度,又能减小户内剪力墙厚度。
弹塑性分析在超高层建筑结构设计中的应用
弹塑性分析在超高层建筑结构设计中的应用摘要:随着时代的发展,当前我国的城镇化建设水平不断提升,与此同时,大多数城市的可建设空间都在不断缩减,在人口逐渐上升的背景下,必须建设更多的超高层建筑。
但是,超高层建筑与普通建筑工程存在比较明显的区别,其施工难度相对较大,需要充分考量多方因素才能完成高质量的结构设计,弹塑性分析在超高层建筑结构设计领域能够发挥一定效果。
本文通过对相关文献进行查阅,首先对弹塑性分析技术的基本概念进行简要阐述,随即对弹塑性分析在超高层建筑结构设计中的应用进行全面分析,希望本文的研究内容能够为超高层建筑设计提供一定理论支持。
关键词:弹塑性分析;超高层建筑;结构设计前言:当前,为了适应行业需要,超高层建筑开始成为了建筑行业的重点关注对象,在实践中,超高层建筑对于结构稳定性的要求更高,如果无法保证结构稳定,就会严重影响后期建筑的使用质量,采用弹塑性分析技术能够帮助相关技术人员对结构设计方案进行优化,从而提升方案可行性,提升超高层建筑建设质量。
一、弹塑性分析概述弹塑性分析指的是从建筑结构角度,通过对建筑结构施加外在应力,在此基础上对建筑结构稳定性进行判断分析的一种方法,在现代建筑设计中比较常用。
在工程建设实践中,弹塑性分析技术主要包括:(1)静力弹塑性分析。
即在建筑结构设计过程中,在建筑中加入一定程度的侧向力,由技术人员对施加侧向力之后的建筑结构变化以及唯一情况进行全面记录与分析,直到达到整个框架结构的屈服力极限值为止,通过这种方法能够对建筑结构稳定性进行有效分析,从而对建筑结构中存在的缺陷进行修正[1]。
(2)施工材料塑性分析。
在建筑结构设计过程中,在建筑中加入一定程度的侧向力,侧向力强度由小到大不断提升,在此过程中,相关技术人员需要对建筑材料在受到测量力之后的变化情况进行记录,并根据实际记录情况对材料安全等级进行划分,一般而言,可以分为立即恢复、构建损坏、威胁生命安全、结构彻底损坏四个级别。
弹塑性分析在高层建筑结构设计中的应用思考
弹塑性分析在高层建筑结构设计中的应用思考摘要:建筑业在社会经济中有着巨大的影响力,近年来,国内的经济建设拉动了建筑业的蓬勃发展。
很多摩天大厦高耸入云,而房屋建筑的可靠性、安全系数等成了大家重点考量的问题,建筑材料的弹塑性分析在建筑业的运用理应得到更大的重视。
所以本文将从高层建筑着手,探讨弹塑性分析在增强房屋建筑中的运用。
关键词:弹塑性分析;高层建筑;抗震;结构设计一、提高城市房屋建筑物防震性能的必要性因为现今越来越多的人走进城市生活和工作,城市建设用地的总面积比较有限等众多因素,城市必须持续地建造更大的高层建筑来承载日渐增多的人口数量,各大城市也都设计了很多别具风味的高层建筑。
可是部分复杂性构造的房屋建筑在寻求独有风格特征和外观的同一时间,在房屋抗震要求层面很有可能并没有满足国家要求的安全范畴,这给人民大众的生命财产安全造成了巨大的潜在风险。
并且,我们也经常在新闻报道上看见各种地震报道,或者是某地的房屋质量出现问题等,这给社会生活造成了相应不利的影响。
所以,重点探讨如何去增强高层建筑的房屋抗震水平,增强高房屋建筑的安全系数,是惠及于人民群众和社会生活的要事,理应得到建筑师们和建筑施工人员的共同关注。
所以增强城市高层建筑的房屋抗震水平是城镇化必须要做到的。
二、弹塑性分析1、静力弹塑性分析方法弹性和塑性是建筑材料的根本特征,弹塑性的具体分析在工程材料科学、建筑力学里都是非常重要的研究方向。
静力弹塑性分析方法,又叫做推覆法和静力荷载增长法。
静力弹塑性分析法,是对结构在罕遇震灾效果下开展弹塑性变形分析的一个简易化方式,从实质上说它是一个静力分析法。
具体地说,便是在结构计算模型上增加按某些规律划分的水平侧向力,单调载入并逐步增加;如果有结构件裂开或屈服即更改其刚度系数或使其撤出工作,以此更改结构总刚度矩阵,开展下一阶段计算,按顺序反复一直到结构符合设定的状况,以此辨别是不是符合相对应的抗震功能标准。
在具体房屋建筑构造改变的分析流程中,会加进一个改变的侧向力来增强试验分析的精确度。
结构静力弹塑性分析的原理和计算实例
结构静力弹塑性分析的原理和计算实例一、本文概述结构静力弹塑性分析是一种重要的工程分析方法,用于评估结构在静力作用下的弹塑性行为。
该方法结合了弹性力学、塑性力学和有限元分析技术,能够有效地预测结构在静力加载过程中的变形、应力分布以及破坏模式。
本文将对结构静力弹塑性分析的基本原理进行详细介绍,并通过计算实例来展示其在实际工程中的应用。
通过本文的阅读,读者可以深入了解结构静力弹塑性分析的基本概念、分析流程和方法,掌握其在工程实践中的应用技巧,为解决实际工程问题提供有力支持。
二、弹塑性理论基础弹塑性分析是结构力学的一个重要分支,它主要关注材料在受力过程中同时发生弹性变形和塑性变形的情况。
在弹塑性分析中,材料的应力-应变关系不再是线性的,而是呈现出非线性特性。
当材料受到的应力超过其弹性极限时,材料将发生塑性变形,这种变形在卸载后不能完全恢复,从而导致结构的永久变形。
弹塑性分析的理论基础主要包括塑性力学、塑性理论和弹塑性本构关系。
塑性力学主要研究塑性变形的产生、发展和终止的规律,它涉及到塑性流动、塑性硬化和塑性屈服等概念。
塑性理论则通过引入屈服函数、硬化法则和流动法则等,描述了材料在塑性变形过程中的应力-应变关系。
弹塑性本构关系则综合考虑了材料的弹性和塑性变形行为,建立了应力、应变和应变率之间的关系。
在结构静力弹塑性分析中,通常需要先确定材料的弹塑性本构模型,然后结合结构的边界条件和受力情况,建立结构的弹塑性平衡方程。
通过求解这个平衡方程,可以得到结构在静力作用下的弹塑性变形和应力分布。
弹塑性分析在结构工程中有着广泛的应用,特别是在评估结构的承载能力、变形性能和抗震性能等方面。
通过弹塑性分析,可以更加准确地预测结构在极端荷载作用下的响应,为结构设计和加固提供科学依据。
以上即为弹塑性理论基础的主要内容,它为我们提供了分析结构在弹塑性阶段行为的理论框架和工具。
在接下来的计算实例中,我们将具体展示如何应用这些理论和方法进行结构静力弹塑性分析。
塑性铰
钢结构中的塑性铰及其应用综述姓名:严小伟学号:15121116北京交通大学2016年1月钢结构中的塑性铰及其应用综述摘要:结构构件在地震作用下产生塑性变形,在塑性铰形成的过程中能吸取大量的能量。
在设计中恰到好处地设计塑性铰形成的位里并加以应用,可有效降低震害,不至于出现迅速倒塌的后果。
关键字:塑性铰理论;塑性变形;破坏机制1.引言地震是一种具有突发性和毁灭性的自然灾害,它对当今人类社会的危害主要体现在两个方面:一是地震引起建筑物的破坏或倒塌将会导致严重的人身伤亡和财产损失,二是地震及其地震引起的水灾、火灾等次生灾害将破坏人类社会赖以生存的自然环境,造成严重的经济损失,产生巨大的社会影响。
我国地处世界上两个最活跃的地震带上,是世界上的多地震国家之一,强烈地震给我国人民带来的灾难尤为严重。
从历史上来看,我国的地震灾害面积己达到我国的国土面积的一半以上,尤其在近几年地震活动相当频繁。
因为很多特大地震给人类带来了巨大的经济损失,一些特大地震己给人类社会带来了不可估量的经济损失,这就使得我们要对深入研究土木工程结构的抗震设计理论和应用方法进行深入的研究。
不同阶段,客观因素和人类的认识水平是不一样的,这就形成了不同的抗震设计思想和方法。
通过工程技术措施,保证建筑物和工程设施的抗震安全,是减轻地震灾害的有效手段,作为抗震灾害的重要环节,结构抗震设计理论的不断完善是世界各国重点研究的课题之一。
结构在塑性变形中形成的塑性铰在抗震中能发挥重要作用,塑性铰能否在罕遇地震中出现,对结构安全和生命财产的安危是至关重要的。
所以,很有必要对其进行研究和探讨,并应充分利用塑性铰来消耗地震的能量,提高结构的抗震性能,降低地震灾害。
2、塑性铰的有关概念钢结构中的塑性铰在钢结构构件屈服的横截面处产生。
如果不考虑结构分析中钢材应变硬化,那么屈服的横截面会产生一个不确定的转动 并能承受一定的约束弯矩 即塑性弯矩Mp。
塑性铰是与理想铁相比较而言。
高层结构在大震下的性能分析(必须学习)
高层结构在大震下的性能分析(必须学习)(1)评价结构在罕遇地震下的弹塑性行为,根据整体结构塑性变形(位移角)和主要构件的塑性损伤情况,确认结构满足“大震不倒”的设防水准要求.(2)根据塑性发展情况,判断关键构件(如跨层柱,斜柱,框支柱,框支梁,框支剪力墙,长悬臂和大跨度构件)的承载力满足抗震性能要求.(3)针对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应的加强措施.1.2.1静力弹塑性分析Pushover分析方法主要应用于受高阶振型和动力特性影响较小的结构.Pushover分析就是结构分析模型受到一个沿结构高度为某种规定分布形式逐渐增加的侧向力或侧向位移,直至控制点达到目标位移或建筑物倾覆为止.控制点一般指建筑物顶层的形心位置,目标位移为建筑物在设计地震力作用下的最大变形.基于结构行为设计使用Pushover分析,包括形成结构近似需求曲线和能力曲线,并确定交点.需求谱曲线基于反应谱曲线,能力谱曲线基于静力非线性Pushover分析.近似需求谱曲线与能力谱曲线的交点称为性能点.1.2.2动力弹塑性分析动力弹塑性分析从选定合适的地震动输入(如地震加速度时程)出发,采用结构有限元动力计算模型建立地震动方程,然后采用数值方法对方程进行求解,计算地震过程中每一时刻结构的位移、速度和加速度响应,从而可以分析出结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件逐步损坏的过程.包含了非线性构件的运动方程如下:其中M、C、K和F(t)分别是系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和节点上的动力荷载、和为时间t时的各节点的加速度、速度和位移.动力弹塑性分析属于非线性分析,需要采用直接积分法.直接积分法的分析思路是:对于在地震动不规则动力作用下的结构动力反应分析,可将时间t划分许多微小的时间段Δtn,由动力方程的数值积分获得其数值解.当已知结构在时刻(和时刻前)的反应值,可采用数值方法由动力方程确定时间段时刻的反应值如此逐步进行下去,即可获得结构动力反应的全过程.因为结构的恢复力特性随结构反应的大小而在不断地变化,因此在每步的分析中必须根据结构反应状态确定当前的结构恢复力特性,进行下一步计算.直接积分法针对离散时间点上的值进行计算,十分符合计算机存储的特点,运动微分方程也不一定要求在所有时间上都满足,而仅要求在离散的时间点上满足即可.根据在时刻(和时刻前)的反应值确定时刻反应值方法的不同,直接积分计算方法可分为:分段解析法、中心差分法、平均加速度法、线性加速度法、Newmark-β法、Wilson-θ法、Hilber-Hughes-Taylor法等.动力弹塑性分析需要将动力微分方程的求解和非线性方程的求解结合起来.常用非线性迭代方法有Newton-Raphson方法、modified Newton-Raphson方法等.1.3.1静力弹塑性分析问题以某28层的剪力墙结构为例说明静力弹塑性分析中常见的几种问题.该结构高度88.4m,标准层平面图见图1.3-1所示,抗震设防烈度7度.图1.3-1标准层平面图(1)不同侧向加载模式推覆分析结果存在差异.给定水平力加载在结构上部的层间位移角最大(图1.3-2),一定程度上反映了结构受高阶振型的影响,高层结构分析中给定水平力加载模式比较合理.无论那种加载模式,楼层最大层间位移角变化不大,最大相差6%.(2)当结构第一周期参与质量大于70%时,静力推覆计算与时程计算结果比较接近.对结构竖向存在明显软弱层的结构,特别是软弱层在结构中下部情况,采用推覆分析的位移角偏大,见图1.3-3所示,图中的原模型不存在薄弱层,而模型1底部存在薄弱层,模型2顶部存在薄弱层.无论薄弱层在下部或上部,给定水平力推覆分析和动力时程分析均能反映结构的薄弱层位置,但薄弱层在下部时,薄弱层位移角相差较大.原模型给定水平力加载模式与动力时程最大层间位移角相差6%;模型1给定水平力推覆比动力时程各层的层间位移角都要大,薄弱层的层间位移角相差12%.结构下部存在薄弱层比结构上部存在薄弱层的层间位移角明显增大,原因是结构下部存在薄弱层时,静力推覆比动力时程的构件屈服早.对于竖向存在明显软弱层或薄弱层的高层结构,建议用时程分析.(3)静力弹塑性模型关键构件配筋按小震反应谱和中震反应谱的包络计算结果,其他普通构件配筋按照小震反应谱的计算结果.静力弹塑性模型的初始弹性阻尼比宜取小震的阻尼比,特征周期比小震的特征周期大0.05.1.3.2动力弹塑性分析问题(1)动力弹塑性模型关键构件配筋按小震反应谱和中震反应谱的包络计算结果,其他普通构件配筋按照小震反应谱的计算结果.动力弹塑性模型的初始弹性阻尼比宜取小震的阻尼比,特征周期比小震的特征周期大0.05.(2)动力弹塑性分析采用的阻尼比一般按照瑞利阻尼计算,质量比例因子α和刚度比例因子β由结构同一平动方向的前两个周期计算得到;若按照振型阻尼计算,则振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数,各阶振型阻尼比均为0.05.(3)罕遇地震动力弹塑性分析基底剪力包络值与多遇地震反应谱剪力比值一般为3~6,受力构件损伤越严重,剪力比值越小.以某39层的框架-核心筒结构为例,标准层平面图见图1.3-4所示,结构高度172.4m.从表1.3-1可知,8度区明显比7度区的剪力比值小,原因是按照8度区罕遇地震计算的损伤比7度区大.图1.3-4标准层平面图表1.3-1罕遇地震与多遇地震计算结果对比郑州华强城市广场项目,地上高157.05m,楼层数47层,地下室为3层.混凝土柱截面尺寸从底部1200×1200(mm)收至顶部的1000×1000(mm),核心筒外圈剪力墙厚度从底部650mm收至顶部的400mm.场地土类型为II类,地震设计分组为第二组,设防烈度为7.5度,剪力墙和框架抗震等级为一级,计算三维模型见图1.4-1.图1.4-1EPDA弹塑性分析模型根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)条文说明第3.11.4条,对于高度在150m~200m的基本自振周期大于4s或特别不规则结构以及高度超过200m的房屋,应采用弹塑性时程分析法.虽然本工程结构结构高度为157.05m,略大于150m,但结构基本自振周期为3.3s,小于4s,故罕遇地震作用采用静力弹塑性分析法计算.静力弹塑性分析采用EPDA&PUSH软件.通过对结构的弹塑性推覆分析,了解罕遇地震作用下,结构构件进入塑性阶段的程度以及结构的整体抗震性能,进而寻找结构薄弱环节,并采用相应的加强措施.(1)模型建立及加载本项目嵌固层为首层楼面,由于弹塑性分析不考虑地下室作用影响,在SATWE模型中将首层楼面及以下结构删除,见图1.4-1所示.EPDA&PUSH的关键构件配筋按SATWE小震反应谱和中震反应谱的包络计算结果,其他普通构件配筋按照SATWE小震反应谱的计算结果.底部加强区剪力墙的分布钢筋最小配筋率取1.4%.分两步进行加载.第一步为施加重力荷载代表值,并在后续施加水平荷载过程中保持恒定.第二步为逐步施加竖向分布模式为弹性CQC地震力.(2)PUSHOVER计算整体结果表1.4-1为静力弹塑性分析简要结果.表1.4-1静力弹塑性分析简要结果从表1.4-1可知,结构的最大层间位移角为1/102,满足规范限值1/100的限值要求.现有篇幅,以下仅列出0度推覆方向的计算结果,性能点曲线图分别见图1.4-2所示.图1.4-20度方向性能点曲线图(3)PUSHOVER构件损伤结果图1.4-3为构件在0度推覆方向性能点处的塑性铰图图1.4-30度方向整体模型性能点处的塑性铰图(4)竖向构件搞剪截面验算本工程竖向构件抗剪截面验算的剪力按照大震等效弹性方法计算得到,其中大震下反应谱最大影响系数取0.72,阻尼比取7%,特征周期取0.45.采用《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第3.11.3条公式(3.11.3-4)进行抗剪截面验算.根据竖向构件截面变化或收进情况取以下不利楼层的内力对柱和剪力墙构件进行抗剪截面验算:1、16、26、31、45层.验算结果显示,竖向构件在大震作用下满足性能C第4水准要求.根据规范要求,所有竖向构件均需满足抗剪截面要求,限于篇幅,以下选取首层的剪力墙构件进行抗剪截面验算.首层剪力墙构件编号如图1.4-4所示:图1.4-4首层剪力墙和柱构件编号首层~15层剪力墙构件抗剪截面验算如表1.4-2所示.表1.4-2首层~15层部分剪力墙构件抗剪截面验算(5)结构弹塑性指标评价1)结构最大弹塑性层间位移角X向为1/102,Y向为1/133,满足《高规》1/100限值.在罕遇地震作用下,结构整体刚度的退化没有导致结构倒塌,满足“大震不倒”的设防要求;2)底部加强区1-5层部分剪力墙出现面外拉弯损伤,部分剪力墙出现裂缝,但满足抗剪截面验算要求;跨层柱和框架柱未出现屈服,部分外框梁和大部分连梁出现塑性铰.3)根据《高规》3.11节,结合静力弹塑性构件屈服的具体情况,抗震性能目标和性能水准验算见表1.4-3.表1.4-3构件验算情况汇总表注:本工程关键构件为:底部加强区剪力墙,跨层柱,1~5层框架柱,悬臂梁.综上所述,结构基本上满足性能C的抗震性能要求.华策国际大厦项目为双塔连体结构,西塔共15层,高度70.9m,东塔共26层,高度119.8m,均为框架核心筒结构,结构1-4层为双塔共有裙房,并在第7层~第10层设有连廊,形成连体结构,钢管柱直径为Ø1300~Ø900,核心筒墙厚为600~400mm.场地土类型为III类,地震设计分组为第一组,设防烈度为7度,剪力墙和框架抗震等级为二级.(1)模型建立采用大型通用有限元软件ABAQUS.ABAQUS模型中的梁和非底部加强区剪力墙柱的配筋基本按照GSSAP小震反应谱的计算结果,底部加强区的剪力墙配筋根据SATWE小震反应谱和中震不屈服的计算结果包络,其中约束边缘构件的最小配筋率为1.4%、竖向分布筋最小配筋率为0.4%,见图1.5-1.图1.5-1ABAQUS弹塑性分析模型(2)材料模型计算采用《混凝土结构设计规范》(50010-2010)附录C提供的受拉、受压应力-应变关系作为混凝土滞回曲线的骨架线,加上损伤系数(dc、dt)构成了一条完整的混凝土拉压滞回曲线,如图1.5-2所示.钢材采用等向强化二折线模型和Mises 屈服准则,滞回曲线如图1.5-3所示,其中强化段的强化系数取0.01.(3)分析方法采用弹塑性时程分析方法,直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应.几何非线性:结构的动力平衡方程建立在结构变形后的几何状态上,“P-∆”效应,杆件的非线性屈曲被精确考虑.材料非线性:直接在材料积分点的应力-应变关系水平上模拟.动力方程积分方法:显式积分.(4)分析步骤1)施工摸拟加载通过单元的“生”与“死”来实现施工阶段的结构受力模拟.第一步先建立整个模型,然后将第一阶段施工以外的构件“杀死”,求得第一阶段结构的应力状态.依此步骤,再逐步“放生”各施工阶段的构件,从而求得结构在施工完成后的应力状态.2)地震加载按照抗震规范要求,罕遇地震下弹塑性时程分析所选用的单条地震波需满足:特征周期与场地特征周期接近;最大峰值符合规范要求;有效持续时间为结构第一周期的5~10倍.根据提供的安评报告,对罕遇地震验算选择一组人工波和二组天然波(Hector mine和Big bear天然波)作为非线性动力时程分析的地震输入,三向同时输入,地震波计算持时取30s;罕遇地震条件下水平向PGA调整为220gal,竖向调整为143gal,以及考虑竖向地震为主的加速度峰值220gal,水平向加速度峰值88gal的三向地震作用.(5)动力弹塑性模型构件性能评价方法ABAQUS中构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子及钢材的塑性应变程度作为评定标准,其与《高规》(JCJ3-2010)中构件的损坏程度对应关系如表1.5-1所示.表1.5-1ABAQUS计算结果与《高规》构件损坏程度的对应关系1)钢材借鉴FEMA356标准中塑性变形程度与构件状态的关系,设定钢材塑性应变分别为屈服应变2,4,6倍时分别对应轻微损坏,轻度损伤和中度损坏.钢材屈服应变近似为0.002,则上述三种状态钢材对应的塑性应变分别为0.004,0.008,0.012;2)剪力墙混凝土单元受压出现刚度退化和承载力下降的程度通过受压损伤因子Dc来描述,Dc指混凝土的刚度退化率,如受压损伤因子达到0.5,则表示抗压弹性模量已退化50%.另外,因剪力墙边缘单元出现受压损伤后,整个剪力墙构件的承载力不会立即下降,故考虑剪力墙受压损伤横截面面积可作为其严重损坏的判断标准.(6)结构整体性能分析表1.5-2为结构罕遇地震下基底剪力结果,表1.5-3和表1.5-4分别为西塔和东塔的位移结果,未注明的结果均为ABAQUS计算的结果.表1.5-2结构罕遇地震基底剪力以下仅列出人工波0度方向的层间位移角结果供参考.图1.5-4西塔0度方向层间位移角曲线图1.5-4为西塔人工波0度方向的层间位移角曲线,其最大的层间位移角分别为1/179.西塔在人工罕遇地震波作用下结构层间位移角较大,结构在第10层,层间位移角增大明显,而对天然波无此现象,说明结构在人工波作用下结构损伤较大.东塔各主方向工况下结构层间位移角见图1.5-5所示:图1.5-5东塔0度方向层间位移角曲线图1.5-5为东塔0度方向的层间位移角曲线,其最大的层间位移角分别为1/191.由于人工波0°主方向计算工况作用下,两塔结构层间位移角均较大,因此后面分析中以人工波0°主方向的计算结果为例,分析以水平地震为主的结构构件损伤情况.(7)剪力墙损伤情况剪力墙混凝土受压损伤系数值与云图对应关系如图1.5-6所示.蓝色表示无受压损伤,绿色表示轻微受压损伤,橙色轻度受压损伤,红色中度受压损伤.图1.5-7~图1.5-10为剪力墙的受压损伤和钢筋塑性应变图,从其图形结果分析表明:图1.5-6受压损伤系数值与云图对应情况图1)底部加强区少量剪力墙出现轻度至中度损伤,损伤主要集中在转角处和剪力墙端部位置;钢筋均未进入塑性.2)非底部加强区剪力墙出现轻微至中度损伤,损伤主要集中在转角处和一字剪力墙中部,西塔第10~13层剪力墙受压损伤面积较大.3)结构剪力墙钢筋塑性应变较小,最大塑性应变为6.578E-4,发生在东塔顶层位置.图1.5-7剪力墙受压损伤云图图1.5-7为剪力墙受压损伤云图,从图可知,西塔第10~12层剪力墙发生中度损伤.西塔底部加强区剪力墙出现轻度至中度受压损伤,东塔底部加强区少量剪力墙出现轻度,损伤主要集中在转角处和剪力墙端部位置.图1.5-10剪力墙边缘构件钢筋塑性应变结构底部加强区(1-3层)损伤主要发生在墙肢中部,损伤面积较小.结构剪力墙及约束边缘构件钢筋塑性应变较小,最大塑性应变为6.578E-4,发生在东塔顶层.(8)框架柱塑性损伤情况框架柱采用钢筋混凝土柱和型钢混凝土柱,图1.5-22和图1.5-12为柱子在大震作用下混凝土刚度退化及钢材的塑性应变情况.柱构件混凝土受压刚度退化状态图例如1.5-11所示.蓝色表示无受压刚度退化,绿色表示轻微受压刚度退化,橙色中度受压刚度退化,红色严重受压刚度退化.图1.5-11柱混凝土受压刚度退化状态图分析结果表明,所有柱的混凝土未出现受压刚度退化;结构塔楼柱构件均未出现塑性变形,裙房顶层少量柱构件进入塑性,最大塑性应变为1.978E-4.结构仅裙房顶层少量柱构件进入塑性,最大塑性应变为1.978E-4,塔楼部分柱钢筋均未屈服.图1.5-12柱钢筋塑性应变(9)框架梁和连梁塑性损伤情况梁混凝土受压刚度值与云图对应情况如图1.5-13.蓝色表示无受压刚度退化,绿色表示轻微受压刚度退化,橙色中度受压刚度退化.图1.5-13梁混凝土受压度退化状态图图1.5-14和图1.5-15为混凝土受压刚度退化状态图和钢筋塑性应变图,分析结果表明:1)东塔上部楼层个别连梁混凝土出现受压损伤的情况,其他部位梁构件混凝土未出现明显的受压损伤;2)结构部分塔楼部分连梁和少量框架梁和外框梁塑性应变较大,最大塑性应变为5.014E-3.图1.5-14混凝土受压刚度退化状态图结构大部分梁构件受压刚度退化较小,部分连梁发生轻微到中度受压刚度退化.图1.5-15全楼梁钢材塑性变形梁钢材最大塑性变形为5.014E-3.(10)竖向地震作用下连体分析由于结构中存在连体,需要补充进行竖向地震分析,竖向地震三个分量峰值加速度比值为X:Y:竖向=0.4:0.4:1.0.1)连体竖向位移分析取10层连体跨中A点为参考点进行竖向位移时程分析,点A位置如图1.5-16所示:图1.5-16选取位移点三条地震波作用下A点最大位移见表1.5-5所示.表1.5-5竖向位移由于人工波作用下结构竖向位移最大,下面以人工波Z主方向工况为例分析结构在竖向地震作用下的变形和损伤.2)框架柱损伤分析连体周边西塔、东塔钢管混凝土柱混凝土受压刚度退化及钢筋钢材塑性应变如图1.5-17和图1.5-18所示.钢管混凝土柱的混凝土未发生受压刚度退化.连体部分柱构件钢材均未进入塑性.图1.5-17混凝土受压刚度退化图1.5-18钢管混凝土柱及型钢柱塑性应变分析结果表明,在竖向罕遇地震荷载作用下,连体部分柱构件混凝土未发生受压损伤,柱构件钢材均未进入塑性.3)框架梁损伤分析第7~10层梁构件塑性变形如图1.5-19所示:图1.5-19连体构件钢材塑性应变分析结果表明,结构第7~10层梁构件钢材塑性应变主要集中在西塔和东塔框架梁和连梁位置,连体部分梁构件塑性应变水平较小,最大为3.571E-3,发生在第10层Y向框架梁位置.4)楼板损伤分析第7和第10层楼板受压损伤如图1.5-20所示.图1.5-20第10层楼板损伤结果表明,结构第7层楼板未发生受压损伤,第10层楼板连体中部和边缘少量范围发生轻度至中度损伤.上述分析结果表明,在竖向地震作用下,结构连体附近钢管混凝土柱的混凝土未发生明显刚度退化,钢材未进入塑性;梁构件钢筋塑性变形较小,最大塑性变形仅为6.347e-4;第7层楼板未发生损伤,第10层楼板跨中和边缘部分楼板发生轻度至中度损伤.(11)竖向构件抗剪截面验算本结构竖向构件按照大震等效弹性方法进行抗剪截面验算,取大震反应谱计算的构件剪力进行竖向构件抗剪截面验算,其中阻尼比取0.05,特征周期0.5,连梁刚度折减系数0.3,中梁刚度放大系数1.0.首层剪力墙构件抗剪截面验算结果如表1.5-6所示:表1.5-6首层部分剪力墙抗剪截面验算剪力墙W6剪压比最大,最大值为0.135,满足规范剪压比小于0.15要求.(12)结构弹塑性计算指标评价1)西塔0°主方向最大位移为0.2069m,最大层间位移角为1/179(12层),45°主方向最大位移为0.2369m,最大层间位移角为1/163(11层),90°主方向最大位移为0.2414m,最大层间位移角为1/227(11层),135°主方向最大位移为0.1992m,最大层间位移角为1/303(12层);东塔0°主方向最大位移为0.4366m,最大层间位移角为1/191(22层),45°主方向最大位移为0.5089m,最大层间位移角为1/167(22层),90°主方向最大位移为0.4214m,最大层间位移角为1/183(12层),135°主方向最大位移为0.5058m,最大层间位移角为1/188(13层),均满足规范规定.在三条波三向作用下,结构整体刚度退化没有导致结构倒塌,满足“大震不倒”的设防要求.2)底部加强区少量剪力墙出现轻度至中度损伤,损伤主要集中在转角处和端部剪力墙;对于非底部加强区剪力墙出现轻微至中度损伤,损伤主要集中在转角处和一字剪力墙中部,西塔第10~13层剪力墙受压损伤面积较大.结构剪力墙钢筋塑性应变较小,最大塑性应变为6.578E-4,发生在东塔顶层.3)跨层柱混凝土未出现受压损伤,钢筋未发生屈服.所有柱的混凝土未出现受压刚度退化;结构柱构件均未出现塑性变形.4)东塔上部楼层个别混凝土连梁出现受压损伤的情况,其他部位梁构件混凝土未出现受压损伤.东塔上部楼层框架梁出现塑性屈服,最大塑性应变为5.014E-3.5)柱构件未发生塑性应变,第8、9层连体与东塔连接的外框梁屈服应变最大,结构第7层连体楼板及塔楼楼板受压损伤较小,第10层连体边缘楼板和塔楼核心筒附近楼板损伤较严重.6)在竖向地震作用下,连体跨中最大竖向位移为0.1m左右;结构连体附近钢管混凝土柱混凝土未发生刚度退化,钢材未进入塑性;梁构件钢筋塑性变形较小,最大塑性变形仅为6.347e-4;第7层楼板未发生损伤,第10层楼板跨中和边缘部分楼板发生轻度至中度损伤.表1.5-7为主要结构构件损坏情况汇总.表1.5-7主要结构构件损坏情况汇总综上所述,结构基本上满足性能C的抗震性能要求.。
高层结构考试题名词解释和简答题
三.名词解释1.竖向不规则结构:侧向刚度不规则,竖向构建不连续,竖向构件承载力突变2.荷载效应3.建筑抗震概念设计:是保证结构具有优良抗震性能的一种方法,其包含有以下内容,选择对抗震有利的结构方案和布置,采取减少扭转和加强抗扭刚度的措施,设计延性结构和延性结构构件,分析结构薄弱部位,并采取相应措施,避免薄弱层过早破坏,防止局部破坏引起的连锁效应,避免设计静定结构,采取二道防线措施等等。
即是,从方案、布置、计算到构件设计、构造措施每个设计步骤都贯穿抗震概念设计内容。
4.剪力墙的整体系数α:是表示连梁与墙肢相对刚度的一个参数,值越大,则连梁相对于墙肢的刚度越大。
5.(框筒结构的)剪力滞后现象:倾覆力矩使框筒结构的一侧翼缘框架柱受拉,另一侧翼缘框架柱受压,而腹板框架柱有拉有压.翼缘框架中各柱轴力分布并不均匀,角柱的轴力大于平均值,中部柱的轴力小于平均值,腹板框架各柱的轴力也不是线性分布.这种现象叫剪力滞后6.框架—剪力墙结构的刚度特征值λ:λ称为框架―剪力墙结构的刚度特征值,它反映总框架与总剪力墙刚度之间的相对关系。
λ大,表示总框架的抗侧刚度较大(相对于总剪力墙的等效抗弯刚度);反之则小。
λ值的大小对总框架及总剪力墙的内力将产生很大的影响。
8.中震:指该地区50年内超越概率约为10%的地震烈度,又称为基本烈度或设防烈度。
10.延性:指材料的结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力。
11、平面不规则结构:平面不规则的类型包括扭转不规则、楼板凹凸不规则和楼板局部不连续。
当楼层的最大弹性水平位移或层间位移,大于该楼层两端弹性水平位移或层间位移平均值的1.2倍,为扭转不规则;当结构平面凹进的一侧尺寸,大于相应投影方向总尺寸的30%时,为楼板凹凸不规则;当楼板的尺寸和平面刚度急剧变化时,为楼板局部不连续。
12.框架的剪切刚度C:即为s个柱产生单位层间变形所需的推力(抗推刚度)之和。
浅谈超限高层建筑大震弹塑性分析方法及步骤
浅谈超限高层建筑大震弹塑性分析方法及步骤摘要:随着城市超高层建筑越来越多,超高层建筑结构的超限审查也越来越严格,因此结构超限计算和分析也显得尤为重要,超限计算包括弹性计算、弹性时程分析、等效弹性分析、静力弹塑性和动力弹塑性分析,本文仅针对过程和方法较为复杂的动力弹塑性分析方法和步骤作简单介绍。
关键词:超限性能目标罕遇地震地震波动力弹塑性分析结构损伤1概述本文以武汉某超高层住宅楼为例,简要介绍超限高层结构的动力弹塑性方法和步骤。
2工程概况武汉某超高层住宅楼,结构高度为166.6m,为B级高度,地上55层,地下3层。
结构标准层长约48m,等效宽度约18.7m,高宽比约9.1;采用混凝土剪力墙结构型式。
按《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)及武城建[2016]5号、[2016]154号文规定,本楼栋抗震设防类别为标准设防类。
剪力墙、框架梁及连梁抗震等级均为二级。
本楼栋建筑结构安全等级为二级,结构设计使用年限为50年。
根据《建筑抗震设计规范》(以下简称《抗规》),本地区设计抗震设防烈度为6度,场地类别为Ⅱ类,基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为一组;按《中国地震动参数区划图》相关规定,多遇地震、设防地震、罕遇地震作用下的地震加速度的最大值分别为17cm/s2、50cm/s2、115cm/s2,水平地震影响系数最大值αmax分别为0.0417、0.125、0.2875,特征周期分别为0.35、0.35、0.4.3结构超限情况及解决方案3.1结构超限情况根据国家《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》和《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》中的相关规定,本项目为钢筋混凝土剪力墙,超限高度限值为140m,因此高度超限,无其他超限项;需要进行抗震超限审查。
3.2抗震性能目标根据《高规》第3.11节及条文说明,本项目可选用结构抗震性能目标为D级,具体如下:规范抗震概念:小震不坏、中震可修、大震不倒;性能水准为1、4、5;性能目标:关键构件(底部加强区、楼梯间及端山墙通高剪力墙):在小震作用下无损坏、弹性;中震作用下轻度损坏、抗震承载力满足不屈服;大震作用下中度损坏、抗震承载力宜满足不屈服。
塑性铰理论在实际工程中的应用
所谓的塑性铰是与理想铰相比较而言 。众所周 知 , 理想铰在外荷下可以转动 , 不能承受弯矩 。而 塑性铰与理想铰不一样 , 即塑性铰能够承受弯矩 , 其值即为塑性铰截面的极限弯矩 。对于超静定结 构 , 由于存在多余联系 , 某一截面的纵向钢筋屈 服 , 即某一截面出现塑性铰并不能使结构立即成为 破坏结构 , 还能承受继续增加的荷载 。当继续加荷 时 , 先出现塑性铰的截面所承受的弯矩维持不变 , 产生转动 , 没有出现塑性铰的截面所承受的弯矩继 续增加 , 直到结构形成几何可变机构 。这就是塑性 变形引起的结构内力重分布 , 塑性铰转动的过程就 是内力重分布的过程 。
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表 3 梁系配筋计算结果表
编 梁断面尺寸 梁最大弯矩 钢筋面积/ mm2 钢筋 是否满 梁
号 / mm (宽 ×高) Mmax/ kN·m 计算值 实配值 类型 足要求
主梁 1 # 500 ×1 200
1 05610 4 788 7 238 Ⅱ级 是
2 # 500 ×1 200
1 01810 4 598 5 630 Ⅱ级 是
《水利工程建设项目招标管理规定》自 2002 年 1 月 1 日起施行 , 分总则 , 行政监督与管理 , 招标 , 投 标 , 评标标准与方法 , 开标 、评标和中标 , 附则 , 共 7 章 59 条 。
《水利工程建设项目招标投标管理规定》是在运用《招标投标法》的基础上 , 结合水利工程建设项目的 特点 , 进一步规范招标投标行为 , 强化 、完善竞争机制 , 从而推动水利工程建设项目招标投标的活动全面 发展 。进一步完善水利建筑市场规则的重大举措 , 是标志着水利工程建设项目招标投标的管理走上法制化 、 规范化轨道的又一里程碑 。它的颁布 , 对于当前整顿和规范市场经济秩序工作 , 逐步规范市场行为 , 建立 良好的市场经济秩序 , 对于规范水利工程建设项目招标投标活动 , 保护国家利益 , 公共利益和招标投标活 动当事人的合法权益 , 保证工程质量 , 降低项目成本 , 提高项目经济效益 , 都具有重要的现实意义和深远 的历史意义 。
浅析高层建筑的抗震设计
浅析高层建筑的抗震设计本文着重介绍了目前高层建筑结构抗震设计中出现的问题,对目前出现的问题提出了几点建议。
标签:弹塑性时程动力分析方法;弹塑性时程静力分析方法;高层建筑结构设计;抗震设防类别1 引言自世界上第一幢高层建筑出现后。
高层建筑不仅在建筑高度大幅度加大,,而且在结构类型和材料的选用上也发生了巨大的变化。
中国处于地震多发带,抗震设防是工程设计必须解决的东西,因而建筑结构抗震设计中的高层建筑处于非常重要的位置。
2 建筑抗震设计中高层建筑的主要内容2010年(修订版)抗震设计规范中高层建筑部分的抗震设计计算是在多遇地震作用下,用反应谱理论计算地震作用,用弹性方法计算位移和内力,构件设计用极限状态方法。
重要建筑和有特殊要求的建筑,补充计算采用时程分析法,同时在大震作用下的进行变形验算。
要求弹塑性计算,在加强高层建筑物的抵抗地震作用方面是十分有用的。
在高层结构弹塑性分析方面,主要用弹塑性动力分析和弹塑性静力分析两种方法。
弹塑性动力分析方法,用层模型和杆模型等简化的结构计算模型,地震波被直接输入,考虑弹塑性性能情况,根据弹塑性恢复特性构建动力方程,采用逐步积分方法求出地震作用过程中速度、加速度和位移的时程变化,弹塑性动力分析方法描述建筑结构在强震作用下,在非弹性和弹性阶段的内力的变化过程,以及结构各种构件逐渐开裂、各种构件弯曲屈服、破坏直到完全倒塌的整个过程。
弹塑性时程分析方法,要求结构设计人员有很高水平的结构专业知识,地震波对计算结果的影响很大。
一些专家提出弹塑性静力分析方法进行抗震分析的方法。
弹塑性静力分析方法,应用三维空间模型或者空间协同平面结构模型,根据墙、柱、梁的材料、配筋及截面尺寸来计算确定其弹塑性力—变形关系;在施加荷载结构上,荷载逐步加大,杆端出现屈服,随后塑性铰出现,直至层间位移角数值足够大或,塑性铰数量足够多,最后计算结束。
弹塑性静力分析方法可以知晓结构中墙、柱、梁的承载力与内力之间的变化关系,以及墙、柱、梁承载力间的关系,得出的结果看否符合抗震设计的要求,并可知道整个结构的薄弱部位,还可知道不同受力阶段的侧移变形,给出底部剪力—顶点侧移关系曲线以及层剪力—层间变形关系曲线等等。
各国规范中等效塑性铰长度公式对比
各国规范中等效塑性铰长度公式对比摘要:塑性铰长度是进行结构弹塑性分析时的重要参数,是确定压弯钢筋混凝土柱塑性转动能力和极限位移能力的重要指标,对于分析结果有着重要影响。
本文介绍了塑性铰的形成机制以及等效塑性铰长度定义;各国规范有关塑性铰等效计算长度的规定,对比了各国规范公式以及学者提出公式对于同一实际工程构件的计算结果,发现计算结果差异较大。
关键词:塑性铰;抗震设计;延性钢筋混凝土压弯构件在强震的作用下,当纵向受拉钢筋在某截面达到屈服后,在弯矩增加不多的情况下,截面的变形和曲率急剧增大,表明截面已进入屈服阶段,转角急剧增大,相当于出现一个“铰”,即所谓的塑性铰,而塑性铰的长度往往与诸多参数相关,难以准确计算。
因此国外学者引入了等效塑性铰的概念,即假设在塑性铰长度范围内的曲率为常数,只要等效塑性铰长度能确定,钢筋混凝土压弯构件的极限位移能力就能通过等效塑性铰长度、构件高度、极限曲率等参数确定,从而对结构的变形能力和抗震性能进行整体评估。
1、桥墩塑性铰长度定义20 世纪六十年代,国外研究人员最先给出了用于估计钢筋混凝土梁弯曲转动变形的塑性铰长度。
Park 和 Paulay则将塑性铰长度的概念扩展到了悬臂墩,简化了曲率沿墩高的分布,给出了如下墩顶位移计算公式:式中: L为墩柱高度; 为墩顶极限位移; 为墩顶屈服位移; 为墩顶塑性位移; 为塑性铰区极限曲率; 为塑性铰区等效屈服曲率; 为塑性铰区塑性曲率。
上式常用于估计钢筋混凝土墩柱的塑性铰长度。
等效塑性铰长度概念的实质是在特定荷载作用下,用平均曲率来代替非线性曲率,使得两者在塑性铰长度上的积分结果相等。
2、各国规范及学者等效塑性铰长度公式2.1中国《公路桥梁抗震设计细则》规定中国《公路桥梁震设计细则》规定塑性铰长度Lp取方程组中两分式计算结果的较小值(1)式中: 悬臂墩的高度或塑性铰截面到反弯点的距离; 为纵筋直径; 为纵向钢筋抗拉强度标准值; 为矩形截面的短边尺寸或圆形截面直径。
高层建筑结构与抗震辅导材料七
《高层建筑结构与抗震》辅导材料七框架设计与构造主要内容:提高框架结构延性的措施;框架梁的抗震设计——正截面及斜截面受弯承载力计算; 框架柱的抗震设计——正截面及斜截面受弯承载力计算;梁柱节点的抗震设计。
第一节 框架结构的延性当结构反应进入非线性阶段后,强度不再是控制设计的唯一指标,变形能力变得与强度同等重要。
因为一般结构并不具备足以抵抗强烈地震的强度储备,而是利用结构的弹塑性性能吸收地震能量,以达到抗御强震的目的。
因此,深刻理解并熟练掌握提高框架结构延性的各项措施,尤其是强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的设计原则是非常重要的。
一、结构的延性指标截面的塑性变形能力常常用延性比来衡量,即y u ϕϕμϕ=,其中y ϕ表示截面屈服时的曲率,u ϕ表示截面极限曲率。
结构的延性通常用顶点位移延性比表示,即y u ∆∆=∆μ。
其中Δy 为结构进入塑性状态时的顶点位移。
∆μ是结构抗震性能的一个重要指标。
对于延性比大的结构,在地震作用下结构进入弹塑性状态时,能吸收、耗散大量的地震能量,此时结构虽然变形较大,但不会出现超出抗震要求的建筑物严重破坏或倒塌。
相反,若结构延性较差,在地震作用下容易发生脆性破坏,甚至倒塌。
二、结构延性的作用(1)防止脆性破坏;(2)承受某些偶然因素的作用;(3)实现塑性内力重分布;(4)有利于结构抗震。
三、提高结构延性的措施⒈“强柱弱梁”设计原则—控制塑性铰的位置在地震作用下,框架结构中塑性铰出现的位置或顺序不同,将使框架结构产生不同的破坏形式。
但是不允许在梁的跨中出铰。
梁的跨中出铰将导致局部破坏。
强梁弱柱型结构的塑性铰首先出现在柱中,破坏时只跟最薄弱层柱的强度和延性性能有关,而与其他各层梁柱的承载能力和耗能能力均没有发挥作用。
而强柱弱梁型结构的塑性铰首先出现在梁中,当部分梁端甚至全部梁端均出现塑性铰时,结构仍能继续承受外荷载,而只有当柱子底部也出现塑性铰时,结构才达到破坏。
由于柱中出现塑性铰,不易修复而且容易引起结构倒塌;塑性铰出现在梁端,却可以使结构在破坏前有较大的变形,吸收和耗散较多的地震能量,具有较好的抗震性能,而且梁的延性远大于柱的延性。
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( 1 . 成都纺织高等专科学校 , 成都 6 1 1 7 3 1 ; 2 . 四川 师范大学 , 成都 6 1 0 1 0 1 )
摘
要 :首先 简述建筑结构 塑性铰 的定义及 性质 ;其次将 塑性 铰与理论铰作理论 对 比分析 ,并利 用
S A P 2 o o I 入一例单跨 简支梁 , 分 别在 简支梁 的跨 中截面定义塑性铰和理论铰进行有 限元分析 , 证明理
s u p p o r t e d b e a m, we in f i t e e l e me n t na a l y s i s t h e s i mp l y s u p p o se d b e a m wh e n he t p l a s t i c h i n g e a n d t h e o r y h i n g e s e p a r a t e l y a p p e a r i n t h e mi d s p a n s e c t i o n , r e s u l l f y i t c o u l d p r o v e t h e t h e o r y o f c o mp a r a t i v e a n a l y s i s . F i n a l l y, w e r e li a z e a s t a t i c f o r c e e l a s t i c - p l a s t i c p u s h o v e r a n ly a s i s t o a 1 0 - l a y e r f r a me s t r u c t u r e w i t h S AP 2 0 0 0 p r o g r a m, r e s u h l y t h e p l a s t i c h i n g e d e v e l o p — me n t i f g u r e i s a is r i n g , 8 0 he t we a k r e g i o n c a n b e f o u n d o u t , w e s h o u l d s u g g e s t t h e wa y i n t h e s t r u c t u r l a d e s i g n , a l s o t h e
Ab s t r a c t : T h e a r t i c l e b ie r l f y d e s c ib r e s t h e d e i f n i t i o n a n d n a t u r e o f t h e p l a s t i c h i n g e i n t h e b u i l d i n g s t r u c t u r e ; S e c o n d l y ,
i n t h e Hi g h - R i s e B u i l d i n g S e i s mi c
Y a n g L o u j i a n g , C h e n G o n g , L i Hu a d o n g
( 1 . C h e n g d u T e x t i l e C o l l e g e , C h e n g d u 6 1 1 7 3 1 , C h i n a ; 2 . S i c h u a n N o r ma l U n i v e r s i t y , C h e nn a )
论对比分析的结果; 最后利用S A P 2 0 0 0 对一栋1 0 层建筑结构进行静力弹塑性P u s h o v e 航 震分析, 得到其
塑性铰 的发展 图 , 找 出结构容易出现塑性 铰的抗震薄 弱部位 , 提 出结构设计措施 、 局 限性和对未来的展
望。
关键词 : 塑性铰 ; 理论铰 ; 对 比; 静力弹塑性P u s h o v e r 分析 ; 薄弱部位 ; 结构设计措施
中图分类号 : T U 3 1 3 . 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 1 — 7 1 1 9 ( 2 0 1 3 ) 1 0 — 0 1 9 2 — 0 4
Ca l c u l a t i o n An a l y s i s a n d Ap p l i c a t i o n o f t h e Pl a s t i c Hi n g e
截面受力对比分析承载力极限状态时它所能承担的弯矩塑性铰极限弯塑性铰能够承受一定的弯矩塑性铰极限弯矩矩将保持不变截面中钢筋应力达到屈服强度后保持并只能沿弯矩作用方垂直于截面做微小转动但不变但由于钢筋的塑性变形作用变形急剧增加截是理论铰则不能承受弯矩截面弯矩为并可以自由面发生屈服于是梁将绕该截面产生转动梁中出现一转动结构平面内或平结构体系与机构体系的转换区域称为塑性铰
he t a u ho t r c o mp a r e p l a s t i c h i n g e wi t h t h e o r y h i n g e 。 a n d a n a l y z e t h e i r n a t u r e , b u t a l s o g i v e a n e x a mp l e o f S i n g l e s p a n
l i mi t a t i o n s , f u t u r e p os r p e c t s a n d e n d i n g a r e p r o p o s e d .
第2 9卷 第 1 0期
2 01 3年 l O月
科 技 通 报
B UL L E TI N OF S C I E NC E AND T E CHN0L 0G Y
V0 1 . 2 9 N o . 1 0 Oc t .2 01 3
塑性铰在高层建筑结构抗震 中的计算分 析与应用