静力弹塑性分析

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静力弹塑性性分析

静力弹塑性性分析

铰位置
单元中心 单元中心 单元中心 单元中心
My, Mz
(弯矩)
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定义铰特性值—M铰(FEMA)
1 3 4 5 1 2 3
选择屈服强度的输入方法 选择I、J端的特性是对称还是非对称 单元两端特性为非对称时在此输入 选择受拉和受压区段特性是否相同 输入M/MY、D/DY 输入屈服强度 用户输入屈服变形(新
Displacement
Cs接近0.0时,将自动终止分析
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Pushover荷载工况
当前刚度比
分析模型
位移控制结果: 可获得稳定解
荷载控制结果:屈服后的刚度为0.0,所以无法获 得稳定解
选择骨架曲线类型: My和Mz只能选择同样类型的曲线 *.PMM铰的刚度折减系数在屈服面特性窗口中进行设置。 屈服面特性窗口
6
屈服强度的定义: 自动计算时不必用户输入 - 考虑轴力变化的影响时,在各步骤计算中都将考 虑变化的轴力对屈服面的影响。 定义屈服面: 自动计算时不必输入
选择屈服面特性的计算方法 定义刚度折减系数
2
3 4 6
5
7
5
7
PMM铰类型中即使选择了用户输入也不能修改屈 服强度 实际分析中并不使用该值。
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步骤同“钢筋混凝土结构抗震分析及设计”
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结构静力弹塑性分析方法的研究和改进

结构静力弹塑性分析方法的研究和改进

结构静力弹塑性分析方法的研究和改进一、本文概述随着建筑行业的不断发展,对建筑结构的安全性和稳定性的要求也越来越高。

结构静力弹塑性分析方法作为一种重要的结构分析方法,能够更准确地模拟结构在静力作用下的弹塑性行为,因此在工程实践中得到了广泛应用。

然而,现有的结构静力弹塑性分析方法仍存在一些问题和不足,如计算精度不高、计算效率低等,这些问题限制了其在大型复杂结构分析中的应用。

因此,本文旨在深入研究结构静力弹塑性分析方法,探索其改进策略,以提高计算精度和效率,为工程实践提供更为准确和高效的结构分析方法。

本文首先介绍了结构静力弹塑性分析方法的基本原理和计算流程,分析了现有方法的不足和局限性。

在此基础上,本文提出了一种改进的结构静力弹塑性分析方法,通过引入新的算法和优化计算流程,提高了计算精度和效率。

本文还通过实际工程案例的对比分析,验证了改进方法的可行性和有效性。

本文的研究不仅有助于推动结构静力弹塑性分析方法的发展,提高其在工程实践中的应用水平,同时也为相关领域的研究提供了有益的参考和借鉴。

二、结构静力弹塑性分析方法的理论基础结构静力弹塑性分析方法(Pushover Analysis)是一种在结构工程领域广泛应用的非线性静力分析方法,旨在评估结构在地震等极端荷载作用下的性能。

该方法基于结构在地震作用下的弹塑性反应特点,通过模拟结构的静力加载过程,分析结构的弹塑性变形、内力分布和破坏机制,为结构抗震设计和性能评估提供重要依据。

静力弹塑性分析方法的理论基础主要建立在塑性力学、结构力学和地震工程学等多个学科领域。

其中,塑性力学提供了描述材料在弹塑性阶段的应力-应变关系的本构模型,包括理想弹塑性模型、随动硬化模型等多种模型,这些模型能够反映材料在受力过程中的非线性行为和塑性变形累积。

结构力学则为静力弹塑性分析提供了结构整体和局部的力学分析方法,包括静力平衡方程、变形协调条件等,这些方程和条件构成了静力弹塑性分析的数学模型。

迈达斯之——静力弹塑性分析基本原理及方法

迈达斯之——静力弹塑性分析基本原理及方法

m i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i l图2.8.38 基于位移设计法的结构抗震性能评价m i d a s C i v i l示。

m i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i l1n λ- : 前一步骤(n-1)的荷载因子1λ : 第1荷载步的荷载因子nstep : 总步骤数i : 等差增量步骤号当前步骤的外力向量如下。

0n n λ=⋅P P(10)(3) 第3阶段: 最终步骤的荷载增量(n nstep =) 最终荷载步骤(nstep )的外力向量如下、0nstep nstep λ=⋅P P ; 1.0nstep λ= (11)图2.8.43 自动调整荷载步长的例题(荷载因子结果)m i d a s C i v i l2. 点击步长控制选项 > 增量控制函数定义步长控制函数m i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lATC-40中对不同结构响应类型规定了谱折减系数的下限值(参见表2.8.7)。

pushover分析

pushover分析
载和变振型加载。
(a)倒三角形加载
(b)抛物线加载
(c)均匀加载
(d)变振形加载
由于在一种固定荷载分布方式作用下不可能预测结构构件的各种变 形情况,因此建议至少用两种固定的侧向荷载分布方式来进行弹塑性分 析。较低的结构可采用倒三角形加载和基本振形加载方式中的一种,与 均匀加载组成两种加载方式; 高层结构可采用基本振形加载,与均匀加 载或变振型加载方式中的一种组成两种加载方式。
00.1
(Tg T
)
2max
[20.21(T5Tg)]max
T (s)
Tg
5T g
6.0
目标位移的确定
等效单自由度体系的周期为
Teq 2
M 2
K
xyrMr Qyr
当结构进入塑性阶段以后,结构的固有黏滞阻尼及滞回阻尼会导 致结构在运动过程中产生耗能的作用,因此需要对需求谱进行折减。
eqe 0
0
ED 4EE
(d)变振形加载
变振型加载(自适应加载,SRSS法) 利用前一步加载获得的结构周期与振型,采用振型分解反应谱法确定
结构各楼层的层间剪力,再由各层层间剪力反算出各层的水平荷载,
作为下一步施加的水平荷载模式,考虑了地震过程中结构上惯性力的
分布,比较合理但工作量大为增加。
(3)随着侧向荷载的增加,结构薄弱部位的构件达到屈服,此时对屈 服的构件的刚度予以修正,然后继续增加侧向荷载直至有新的构件屈服。 1: 将已达到抗弯强度的梁、柱、剪力墙等受弯构件的末端设置为铰接点; 2: 将楼层上已达到抗剪强度的剪力墙去掉; 3: 将已经屈曲、且屈曲后强度下降很快的支撑构件去掉; 4: 对于那些刚度己降低,但可承受更多荷载的构件,则修改其刚度特性。
Sa Vb

静力弹塑性分析方法的介绍与应用

静力弹塑性分析方法的介绍与应用

式 中, 为第 层质点 的质量 ; 1为振 型 1中质
() 性 能点 的确定 , 能力谱 曲线和某 一水准地 4 将
5 8






21 0 0年第 3期 ( 总第 11 ) 4期
震 的需求谱画在 同一 坐标 系下 , 两条 曲线 的交点称性 能点 。将谱位移按式 () 1转化 为原结构的顶点位移 , 根 据顶点位 移在原结 构 —n 曲线 中的位置 , 可确定 结构在该地震作用下 的塑性 铰分布、 顶点最 大位移和
月 2日发生在 四川 省汶J 县里 氏 80级特 大地震 , i J . 给
我国造成 了巨大 的损 失 , 特别是一 些学校建 筑不能 有 效抵抗地震作用而倒塌 , 造成人员伤亡 , 教训惨痛 。我
国《 建筑抗震设计 规范 》 362条 明确 指 出 : 第 .. 不规则
且具 有明显 薄弱部 位 可能 导致地 震 时严 重破 坏 的建
图 1 uh vr P soe曲线
() 建 立需求谱 曲线 , 3 将阻 尼 比为 5 %的弹性反
应谱 曲线转化成弹性需求谱 , 转换公式为 :
s d= s () 3
当地震 作用 于结 构 , 达到 非 线性 状 态 时 , 构 的 结 固有粘滞阻尼 和滞 回阻尼会 导致 结 构 在 运动 过 程 中 产生 消能作 用 。S P00是 考虑 等效 阻 尼 比 。 弹 A 20 对
两本手册 : 美国应用技术委员会编制的 A C一 o 混凝 T 4( 土建筑抗震评估 和修复》 和美 国联邦 紧急管理厅 出版 的 F M 2 3 7( E A 7/ 4 房屋抗震加 固指南》 2 。
主要步骤如下 :
性需 求谱进行折减得到弹塑性需求 谱 ( 图 2 。等效 见 )

静力弹塑性分析方法

静力弹塑性分析方法
在实际计算中必须注意一下几个问题:
(1)、计算模型必须包括对结构重量、强度、刚度及稳定性有较大影响的所有结构部件。
(2)对结构进行横向力增量加载之前,必须把所有重力荷载(恒载和参加组合的活荷载)施加在相应位置。
(3)结构的整体非线性及刚度是根据增量静力分析所求得的基底剪力-顶点位移的关系曲线确定的。
静力弹塑性分析方法(pushover法)分为两个部分,首先建立结构荷载-位移曲线,然后评估结构的抗震能力,基本工作步骤为:
第一步:准备结构数据:包括建立模型、构件的物理参数和恢复力模型等;
第二步:计算结构在竖向荷载作用下的内力。
第三步:在结构每层质心处,沿高度施加按某种规则分布的水平力(如:倒三角、矩形、第一振型或所谓自适应振型分布等),确定其大小的原则是:施加水平力所产生的结构内力与第一步计算的内力叠加后,恰好使一个或一批构件开裂或屈服。在加载中随结构动力特征的改变而不断调整的自适应加载模式是比较合理的,比较简单而且实用的加载模式是结构第一振型。
静力弹塑性分析方法
静力弹塑性分析方法(pushover法)的确切含义及特点
结构弹塑性分析方法有动力非线性分析(弹塑性时程分析)和静力非线性分析两大类。动力非线性分析能比较准切而完整的得出结构在罕遇地震下的反应全过程,但计算过程中需要反复迭代,数据量大,分析工作繁琐,且计算结果受到所选用地震波及构件恢复力和屈服模型的影响较大,一般只在设计重要结构或高层建筑结构时采用。
第四步:对于开裂或屈服的杆件,对其刚度进行修改,同时修改总刚度矩阵后,在增加一级荷载,又使得一个或一批构件开裂或屈服;
不断重复第三、四步,直到结构达到某一目标位移(当多自由度结构体系可以等效为单自由度体系时)或结构发生破坏(采用性能设计方法时,根据结构性能谱与需求谱相交确定结构性能点)。

YJK静力弹塑性分析

YJK静力弹塑性分析

Sdy
单自由线弹性体系推覆分析是准确的
附加阻尼比计算
add
ED 4Байду номын сангаас S
eff add 5%
结构性能类型
影响附加等效阻尼的计算
eff = add 5(%)
κ用于反映结构新旧程度以及震源与建筑距离对计算 的影响。结构越新,离震源地越近,结构滞回环越饱 满,耗能越多时,结构性能类型选A,反之,选C。结 构性能类型会影响附加阻尼比的调整系数(软件F1) 。
15:41
不同软件本构曲线差异
15:41
结语
一、推荐图书
两期微课,讲解不充分,不详细,知识构成不同。 金土木 陆新征
Chopra
Perform3d手册
文献1
文献2
文献3
文献4
二、共勉
非线性分析的目的并不是要得到“精确的” 结构行为预测,理论上讲,这是不可能的,而是 要提供给设计有用的信息。非线性分析更难,但 更合理,可以提供支持设计决策的信息。 弹塑性分析是评估结构和构件性能的一种有 效手段,可以识别出一些可能出现的反应机制, 并不是所有的反应机制,有限的荷载只能激发出 潜在的部分破坏机制。减少这类破坏机制能大大 降低结构破损概率。
流程
初始阻尼比谱曲 线
ADRS需求谱曲线 迭代求解获取性能点
顶部位移 -底部剪 力曲线 ADRS能 力谱曲线
性能点处指标输出
建立非 线性分 选定推 析模型 覆荷载 形状
单调静力 弹塑性推 覆求解
推覆分析过程后处理输出
ADRS需求谱曲线
α
Sa (T , ) g
Sa
T2 Sd 2 Sa 4
静力弹塑性分析在YJK软件中的实现

高层建筑结构静力弹塑性分析的理论与应用研究

高层建筑结构静力弹塑性分析的理论与应用研究
高层建筑结构静力弹塑性分析 的理论与应用研究
基本内容
摘要:
随着社会的快速发展和城市化进程的加速,高层建筑结构的设计与安全性显 得尤为重要。静力弹塑性分析方法作为一种评估结构在静力荷载作用下的弹塑性 响应的重要工具,在高层建筑结构设计中具有重要意义。本次演示阐述了静力弹 塑性分析的基本原理和流程,并通过实际工程案例,探讨了静力弹塑性分析在高 层建筑结构中的应用及其优越性。
为了帮助读者更好地理解和应用MIDASGEN进行高层建筑结构的静力弹塑性分 析,建议参考MIDASGEN用户手册和其他相关文献资料。这些资料将提供更详细的 信息和指导,帮助读者掌握MIDASGEN的分析功能和操作方法。
在实际工程实践中,还需要结合实际情况和专业知识进行具体决策。静力弹 塑性分析只是评估高层建筑结构安全性的一种手段,还需要综合考虑其他因素 (如结构设计、施工工艺、维护保养等)来确保建筑结构的长期稳定性和安全性。
在进行静力弹塑性分析时,需要考虑多种荷载工况,例如自重、风载、地震 作用等。通过在MIDASGEN中设置相应的荷载工况,可以模拟高层建筑结构在不同 荷载作用下的响应。同时,还需要根据建筑结构的特点,选择合适的分析方法和 计算参数,例如静力弹塑性分析方法、屈服准则等。
在MIDASGEN中,可以通过输出位移、应力、应变等结果,对高层建筑结构的 静力弹塑性进行分析。通过与其他方法(如有限元方法、实验方法等)的比较, 可以发现MIDASGEN在分析高层建筑结构的静力弹塑性方面具有较高的精度和可靠 性。
研究目的
本次演示的研究目的是对比研究高层建筑结构的静力与动力弹塑性抗震分析 方法,分析各自的优势和不足,并提出改进建议。通过对比两种方法的计算结果, 希望能够为高层建筑结构的抗震设计提供更为准确可靠的分析手段。

静力弹塑性分析方法Push-over

静力弹塑性分析方法Push-over

静力弹塑性分析方法Push-overPush-over从字面可以理解为推-覆,即对结构进行侧推。

为何进行侧推呢?对结构的侧推(pushover)目的是为了估计结构的抗震能力。

在解释通过侧推来评估结构抗震能力之前,先来看一下《抗震设计规范》中采用线弹性反应谱的方法来估计结构抗震能力有何不足?《抗震设计规范》中采用线弹性反应谱的方法,在一定场地条件下对线弹性结构进行反应估计,再进行结构设计。

而整个的设计过程中,对结构的假定都是线弹性的。

而结构在振动过程中会出现塑性状态,此状态可以减小地震作用并同时具有耗能的作用,因此,对结构的抗震能力评估需要考虑结构的塑性状态。

若仿照《抗震设计规范》中采用线弹性反应谱方法,来考虑结构的弹塑性状态,会遇到两个问题:一个是非线性结构难以转化为单自由度体系;二是线弹性反应谱不再适用,需要建立非线性结构反应谱。

而针对这两个问题,在Pushover分析中是分别通过建立能力谱和需求谱来解决的。

能力谱简单的说是通过单自由度体系力与位移关系来反映多自由度结构弹塑性特性的曲线。

更确切地说是通过单自由度体系受侧向集中水平力得到的力与位移关系,来描述多自由度结构受到侧向推力得到的顶层位移与基地剪力的关系,从而诠释了推覆的含义。

然后仅通过推覆得到的能力谱,是难以评估结构的抗震能力的。

原因在于能力谱虽然能够反映了结构本身的弹塑性特点,比如侧向刚度大小,屈服强度等。

然而能力谱不能反映出地震特性,因此需要建立需求谱。

需求谱如设计规范中的弹性反应谱一样,反映不同周期结构在某类场地作用下的最大反应。

然而弹性反应谱难以描述结构弹塑性特性,主要在于弹性反应谱没有考虑弹塑性结构屈服时的屈服点,以及屈服后刚度。

需求谱考虑了结构的弹塑性特点,将弹性反应谱通过折减及变换,得到弹性需求谱。

为了考虑地震场地特性,将能力谱与需求谱画于同一图中,相交的点为性能点,如下图:性能点反映了具有特定周期、特定屈服强度与延性等特点的弹塑性结构在某种场地条件下的抗震能力。

静力弹塑性和动力弹塑性分析方法在结构抗震分析中的应用_张洪伟

静力弹塑性和动力弹塑性分析方法在结构抗震分析中的应用_张洪伟
Beijing Civil King Software Technology 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。
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
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
北京金土木软件技术有限公司
选择用于评估的地震水准
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金土木用户大会
选择用于评估的性能水准
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金土木用户大会
性能点

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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

第八讲 静力弹塑性分析方法

第八讲 静力弹塑性分析方法
工程结构抗震学
第8讲 静力弹塑性分析方法
8.1 方法提出的背景和特点 8.2 静力弹塑性分析(Pushover)法 8.3 基于Pushover分析的结构抗震分析
(能力谱法)
8.1 方法提出的背景和特点
问题的提出:
1989 Loma Prieta地震,伤亡数百人,而造成的经济损失达
150亿美元;1994 Northridge地震,伤亡数百人,造成的经 济损失亦达200亿美元;1995年日本阪神大地震,震级为 7.1,死亡5500多人,造成的经济损失高达1 400亿美元,震 后的恢复重建工作花费2年多时间,耗资近1 000亿美元。
这些地震灾害造成的经济财产损失和社会影响巨大,使人们
意识到:传统的以保障人身安全为基本目标的抗震设计理念 并不完善,单一的以承载力为指标进行抗震设计已经不能适
应现代社会对结构抗震性能的要求。
由传统的基于力的抗震设计思想转变为基于性能/位移/能量 的抗震设计。
8.1 方法提出的背景和特点
人们在现代地震灾害引起的巨大经济损失的现实下,对以 往的设计思想和方法进行了深刻反思: 必须从以往只注重结构安全,向全面注重结构性能、安 全及经济等诸多方面发展; 另一方面,高新技术的发展和人类生活质量的不断提高, 使业主和使用者对结构有了越来越多的性能要求,比如 安全性、舒适性、经济性和易维护性等; 结构技术的飞速进步以及新的建筑材料、结构体系和设 计方法的进一步发展,使得许多不同的目标性能得以实 现。 因此,有必要从性能的观点对现有抗震设计思想和方法进 行反思,基于性能的抗震设计就是在这种背景下提出的。
能力的估计;
是由对结构基于力的设计(Force-Based Design)向基 于位移设计过渡的一种简化分析设计方法; 该方法本质上是一种静力非线性计算方法。

23静力弹塑性说明手册

23静力弹塑性说明手册
但静力弹塑性分析概念清晰,便于工程师理解,且结果整理相对容易,而且静力弹塑性 具有以下优点:
不用选择地震波,推覆荷载采用倒三角、等加速度、振型组合荷载。省去了选择合适地 震波的工作。
可以一次性得到屈服及屈服后的结构性能,结构性能水准及安全储备查看方便、直观。 而动力弹塑性需输入不同的地震动峰值加速度做多次计算后才能做出评价。 工程师可以依据工程具体特征选用弹塑性分析方法。
2.5 能力/需求曲线
在能力/需求曲线菜单中可查看各推覆分析工况的能力曲线与谱曲线。 选择任意工况后,点击应用按钮,弹出该推覆工况下的结构顶层节点位移与基底剪力曲 线,即能力曲线。顶层节点为距离顶层质心最近的节点。
顶层节点位移-基底剪力曲线 将能力曲线与规范谱曲线(地震影响系数曲线)经变换后,由能力谱法计算求取结构在 某地震水平下的性能点。变换前的能力曲线为顶层位移(mm)-基底剪力(kN)关系曲线, 规范谱曲线为周期(s)-影响系数(m/ s^2)关系曲线,变换后的曲线称之为能力谱曲线和 需求谱曲线,能力谱曲线和需求谱曲线均以谱位移 Sd 为横坐标(m)、谱加速度为纵坐标 ((m/s^2),变换后曲线的交点为结构性能点,或者称之为需求位移点(求解过程见第 3 节)。
容许不收敛: 即使迭代求解次数达到最大迭代次数值,软件也不停止计算。而是继续下一个加载步, 本步的残余力累积到下一个荷载步。 停机条件: 通常情况下,如果任何一个楼层的位移角超过正常范围较多时,再往下进行求解已经没 有太大意义,此时应及时停止计算,检查模型后再重新计算。默认值为 1/5,工程师可以根 据经验自行修改。
式中:
γ1
=
∑������������=1(������������ ������������������ ) ∑������������=1(������������ ���������2��������� )

静力弹塑性分析方法(Pushover方法)与动力弹塑性分析方法的优缺点比较

静力弹塑性分析方法(Pushover方法)与动力弹塑性分析方法的优缺点比较

静力弹塑性分析方法(Pushover方法)与动力弹塑性分析方法的优缺点比较一、Pushover分析法1、Pushover分析法优点:(1)作为一种简化的非线性分析方法,Pushover方法能够从整体上把握结构的抗侧力性能,可以对结构关键机构及单元进行评估,找到结构的薄弱环节,从而为设计改进提供参考。

(2)非线性静力分析可以获得较为稳定的分析结果,减小分析结果的偶然性,同时花费较少的时间和劳力,较之时程分析方法有较强的实际应用价值。

2、Pushover分析法缺点:(1)它假定所有的多自由度体系均可简化为等效单自由度体系,这一理论假定没有十分严密的理论基础。

(2)对建筑物进行Pushover分析时首先要确定一个合理的目标位移和水平加载方式,其分析结果的精确度很大程度上依赖于这两者的选择。

(3)只能从整体上考察结构的性能,得到的结果较为粗糙。

且在过程中未考虑结构在反复加载过程中损伤的累积及刚度的变化。

不能完全真实反应结构在地震作用下性状。

二、弹塑性时程分析法1、时程分析法优点:(1)采用地震动加速度时程曲线作为输入,进行结构地震反应分析,从而全面考虑了强震三要素,也自然地考虑了地震动丰富的长周期分量对高层建筑的不利影响。

(2)采用结构弹塑性全过程恢复力特性曲线来表征结构的力学性质,从而比较确切地、具体地和细致地给出结构的弹塑性地震反应。

(3)能给出结构中各构件和杆件出现塑性铰的时刻和顺序,从而可以判明结构的屈服机制。

(4)对于非等强结构,能找出结构的薄弱环节,并能计算出柔弱楼层的塑性变形集中效应。

2、时程分析法缺点:(1)时程分析的最大缺点在于时程分析的结果与所选取的地震动输入有关,地震动时称所含频频成分对结构的模态n向应有选择放大作用,所以不同时称输入结果差异很大。

(2)时程分析法采用逐步积分的方法对动力方程进行直接积分,从而求得结构在地震过程中每一瞬时的位移、速度和加速度反应。

所以此法的计算工作十分繁重,必须借助于计算机才能完成。

浅谈静力弹塑性分析(Pushover)的明白得与应用

浅谈静力弹塑性分析(Pushover)的明白得与应用

浅谈静力弹塑性分析(Pushover )的明白得与应用摘要:本文第一介绍采纳静力弹塑性分析(Pushover )的要紧理论基础和分析方式,以Midas/Gen 程序为例,采纳计算实例进行具体说明弹塑性分析的步骤和进程,说明Pushover 是罕遇地震作用下结构分析的有效方式。

关键词:静力弹塑性 Pushover Midas/Gen 能力谱 需求谱 性能点一、大体理论静力弹塑性分析方式,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式,在必然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。

简腹地说,在结构计算模型上施加按某种规那么散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,依次循环直到操纵点达到目标位移或建筑物倾覆为止,取得结构能力曲线,以后对照确信条件下的需求谱,并判定是不是显现性能点,从而评判结构是不是能知足目标性能要求。

Pushover 分析的大体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,同位移允许值比较,查验是不是知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-极点位移曲线)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,极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/αGV S a = roofroof d X S ,11γ∆=,图1 基底剪力-极点位移曲线转换为能力谱曲线其中1α、1γ、roof X ,1别离为第一阵型的质量系数,参与系数、极点位移。

该曲线与要紧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,在初始时期作使劲与变形为线性关系,随着作使劲的增大,慢慢进入弹塑性时期,变形显著增加,不论关于构件,仍是结构整体,都是那个规律。

Midas静力弹塑性分析

Midas静力弹塑性分析

■ 简介Pushover 分析是考虑构件的材料非线性特点,分析构件进入弹塑性状态直至到达极限状态时结构响应的方法。

Pushover 分析是最近在地震研究及耐震设计中经常采用的基于性能的耐震设计(Performance-Based Seismic Design, PBSD)方法中最具代表性的分析方法。

所谓基于性能的耐震设计就是由用户及设计人员设定结构的目标性能(target performance),并使结构设计能满足该目标性能的方法。

Pushover 分析前要经过一般设计方法先进行耐震设计使结构满足小震不坏、中震可修的规范要求,然后再通过pushover 分析评价结构在大震作用下是否能满足预先设定的目标性能。

计算等效地震静力荷载一般采用如图所示的方法。

该方法是通过反应修正系数(R)将设计荷载降低并使结构能承受该荷载的方法。

在这里使用反应修正系数的原因是为了考虑结构进入弹塑性阶段时吸收地震能量的能力,即考虑结构具有的延性使结构超过弹性极限后还可以承受较大的塑性变形,所以设计时的地震作用就可以比对应的弹性结构折减很多,设计将会更经济。

目前我国的抗震规范中的反应谱分析方法中的小震影响系数曲线就是反应了这种设计思想。

这样的设计方法可以说是基于荷载的设计(force-based design)方法。

一般来说结构刚度越大采用的修正系数R 越大,一般在1~10之间。

但是这种基于荷载与抗力的比较进行的设计无法预测结构实际的地震响应,也无法从各构件的抗力推测出整体结构的耐震能力,设计人员在设计完成后对结构的耐震性能的把握也是模糊的。

基于性能的耐震设计中可由开发商或设计人员预先设定目标性能,即在预想的地震作用下事先设定结构的破坏程度或者耗能能力,并使结构设计满足该性能目标。

结构的耗能能力与结构的变形能力相关,所以要预测到结构的变形发展情况。

所以基于性能的耐震设计经常通过评价结构的变形来实现,所以也可称为基于位移的设计(displacement-based design)。

静力弹塑性和动力弹塑性几个热点问题课件

静力弹塑性和动力弹塑性几个热点问题课件
静力弹塑性和动力弹塑性几个热点问题课件
静力弹塑性分析动力弹塑性分析静力与动力弹塑性的比较热点问题探讨未来发展方向
静力弹塑性分析
静力弹塑性分析是指在静力荷载作用下,材料发生的弹性和塑性变形分析。它考虑了材料的弹性和塑性行为,是结构分析和设计的重要基础。
静力弹塑性分析主要关注的是材料在受力过程中发生的变形和应力分布,以及材料的屈服和失效行为。
静力弹塑性的优点
能够更好地模拟材料在动态加载条件下的行为,适用于分析结构的动态响应和稳定性问题。缺点:相对于静力弹塑性,动力弹塑性的分析计算更为复杂,需要更多的计算资源和时间。
动力弹塑性的优点
根据分析问题的类型选择
01
如果需要分析结构在长期恒定外力作用下的稳定性问题,可以选择静力弹塑性进行模拟;如果需要分析结构在动态、瞬态外力作用下的响应和稳定性问题,可以选择动力弹塑性进行模拟。
静力弹塑性分析方法通常用于大型复杂结构的非线性分析,如地震工程、核工程和重型机械等领域。
有限元法
有限元法是一种常用的数值计算方法,通过将结构离散化为有限个小的单元,然后对每个单元进行力学分析,最后将所有单元的结果汇总得到整体结构的响应。在静力弹塑性分析中,有限元法可以模拟材料的弹性和塑性行为,以及结构的非线性变形。
根据材料的性质选择
02
对于一些具有明显时间依赖性的材料,如粘弹性材料,选择动力弹塑性进行模拟可能更为准确。而对于一些传统材料,如金属和混凝土等,静力弹塑性通常能够提供较为准确的结果。
根据计算资源和时间限制选择
03
如果计算资源和时间有限,选择静力弹塑性进行模拟可能更为合适,因为其计算相对简单。反之,如果计算资源和时间充足,选择动力弹塑性进行模拟能够获得更准确的模拟结果。

静力弹塑性分析与动力弹塑性分析的优缺点

静力弹塑性分析与动力弹塑性分析的优缺点

静力弹塑性分析与动力弹塑性分析的优缺点一、静力弹塑性分析
(1)、优点:
1.计算方便快捷;
2.水平加载模式对分析结果影响显著;
3.分析结果稳定。

(2)、缺点:
1.存在大量自由度的简化假定;
2.不能完全反应结构的动力特性;
3.不能反应结构高阶振型的影响。

二、动力弹塑性分析
(1)、优点:
1.全面考虑结构的材料、几何属性;
2.能给出结构构件屈服的时刻和顺序,从而判明结构的屈服机制;
3.可以迅速判别结构薄弱构件。

(2)、缺点:
1.地震波选择对计算结果影响较大;
2.直接积分法计算开销较大;
3.材料本构、计算参数等选取对专业素养、经验等要求较高。

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

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。

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静力弹塑性分析(Pushover分析)■简介Pushover分析是考虑构件的材料非线性特点,分析构件进入弹塑性状态直至到达极限状态时结构响应的方法。

Pushover分析是最近在地震研究及耐震设计中经常采用的基于性能的耐震设计(Performance-Based Seismic Design, PBSD)方法中最具代表性的分析方法。

所谓基于性能的耐震设计就是由用户及设计人员设定结构的目标性能(target performance),并使结构设计能满足该目标性能的方法。

Pushover分析前要经过一般设计方法先进行耐震设计使结构满足小震不坏、中震可修的规范要求,然后再通过pushover分析评价结构在大震作用下是否能满足预先设定的目标性能。

计算等效地震静力荷载一般采用如图2.24所示的方法。

该方法是通过反应修正系数(R)将设计荷载降低并使结构能承受该荷载的方法。

在这里使用反应修正系数的原因是为了考虑结构进入弹塑性阶段时吸收地震能量的能力,即考虑结构具有的延性使结构超过弹性极限后还可以承受较大的塑性变形,所以设计时的地震作用就可以比对应的弹性结构折减很多,设计将会更经济。

目前我国的抗震规范中的反应谱分析方法中的小震影响系数曲线就是反应了这种设计思想。

这样的设计方法可以说是基于荷载的设计(force-based design)方法。

一般来说结构刚度越大采用的修正系数R越大,一般在1~10之间。

但是这种基于荷载与抗力的比较进行的设计无法预测结构实际的地震响应,也无法从各构件的抗力推测出整体结构的耐震能力,设计人员在设计完成后对结构的耐震性能的把握也是模糊的。

基于性能的耐震设计中可由开发商或设计人员预先设定目标性能,即在预想的地震作用下事先设定结构的破坏程度或者耗能能力,并使结构设计满足该性能目标。

结构的耗能能力与结构的变形能力相关,所以要预测到结构的变形发展情况。

所以基于性能的耐震设计经常通过评价结构的变形来实现,所以也可称为基于位移的设计(displacement-based design)。

Capacity (elastic)DisplacementV B a s e S h e a r图 2.24 基于荷载的设计方法中地震作用的计算Pushover 分析是评价结构的变形性能的方法之一,分析后会得到如图2.25所示的荷载-位移能力谱曲线。

另外,根据结构耗能情况会得到弹塑性需求谱曲线。

两个曲线的交点就是针对该地震作用结构所能发挥的最大内力以及最大位移点。

当该交点在目标性能范围内,则表示该结构设计满足了目标性能要求。

Spectral DisplacementS p e c t r a l A c c e l e r a t i o nS ddesign图 2.25 使用基于位移的设计方法评价结构的耐震性能■ 分析方法结构设计必须满足规范的一系列规定和要求,在完成满足规范要求的设计之后,结构的目标性能具体控制在哪个水准上,则由建筑物的使用者和设计者决定。

为了评价结构性能需要进行结构分析,基于性能的耐震设计方法一般有下列四种。

线性静力分析方法(Linear Static Procedure, LSP) 线性动力分析方法(Linear Dynamic Procedure, LDP) 非线性静力分析方法(Nonlinear Static Procedure, NSP) 非线性动力分析方法(Nonlinear Dynamic Procedure, NDP)MIDAS/Gen 中提供了上述四种分析方法,其中Pushover 分析属于非线性静力分析方法。

Pushover 分析又称为静力弹塑性分析,是评价结构进入弹塑性状态后的结构极限状态和稳定状态的有效而简捷的方法。

该方法主要适用于低频结构影响较大的结构中。

Pushover 分析中可以考虑材料和几何非线性,材料非线性特性是通过定义构件截面的荷载-位移的非线性特性实现的。

Pushover 分析是通过逐渐加大预先设定的荷载直到最大性能控制点位置,获得荷载-位移能力曲线(capacity curve)。

多自由度的荷载-位移关系转换为使用单自由度体系的加速度-位移方式表现的能力谱(capacity spectrum),地震作用的响应谱转换为用ADRS(Acceleration-Displacement Response Spectrum)方式表现的需求谱(demand spectrum)。

通过比较两个谱曲线,评价结构在弹塑性状态下的最大需求内力和变形能力,通过与目标性能的比较,决定结构的性能水平(performance level)。

在MIDAS/Gen 中使用ATC-40(1996)和FEMA-273(1997)中提供的能力谱法(Capacity Spectrum Method, CSM)评价结构的耐震性能。

能力谱法(CSM)的原理如图2.26所示。

(a) 计算结构物的能力曲线(capacity curve)和能力谱(capacity spectrum)AnalysisCapacity SpectrumdaS SDOF Systemroof ∆roofCapacity Curve MDOF SystemtransformFbaseV baseV(b) 计算需求谱(demand spectrum) (c) 评价性能点(performance point)图 2.26 能力谱法(Capacity Spectrum Method, CSM)的原理Pushover 分析是为了评价结构所拥有的耐震性能,其前提条件是已经完成了初步的分析和设计,即对于混凝土结构必须已经完成了配筋设计。

Pushover 分析的优点如下:可以评价结构进入弹塑性阶段的响应以及所拥有的抵抗能力 可以掌握结构的耗能能力和位移需求 可以掌握各构件屈服的顺序对确定需要维修和加固的构件提供计算依据■ 分析中适用的单元类型MIDAS/Gen 中Pushover 分析中适用的单元类型有二维梁单元(2-dimensional beam element)、三维梁-柱单元(3-dimensionalbeam-column element)、三维墙单元(3-dimensional wall element)、桁架单元(truss element)。

各单元的特性如下。

二维梁单元和三维梁-柱单元梁单元和梁-柱单元采用的模型如图2.27所示,其位移和荷载如下,其中适用于梁单元时无轴力项。

Demand SpectrumandaS Response Spectrum aS dmaxmaxA111111222222{}{, M , , M , , M , , M , , M , , M }T x x y y z z x x y y z z P F F F F F F = (1.a)111111222222{}{, , , , , , , , , , , }Tx x y y z z x x y y z z u u v u v θθωθθθωθ=(1.b)图 2.27 二维梁单元和三维梁-柱单元模型三维墙单元模型如图2.28所示墙单元模型由中间的线单元,上下两端的刚性杆构成。

中间的线单元与三维梁-柱单元相同,刚性杆在xz 平面内做刚体运动。

图 2.28 墙单元的节点力和节点位移桁架单元模型如图2.29所示,桁架单元采用轴向(x方向)的弹簧模型。

图 2.29 桁架单元的节点力■非线性弹簧的特性在各单元模型中表现的弹簧并非表示弹簧的存在,而是表现分析的方法,即在弹簧位置将发生塑性变形。

弹簧具有的特性如下。

梁单元模型的弹簧特性用荷载-位移、轴力-单向弯矩-位移角、剪力-剪切变形、扭矩-扭转角等关系来表现;柱以及墙体单元模型的弹簧特性用荷载-位移轴力-双向弯矩-位移角、剪力-剪切变形、扭矩-扭转角等关系来表现;桁架单元模型的弹簧特性用荷载-位移关系来表现。

单元的变形可用下面的各式来表现。

弯曲变形节点上构件的变形角可用下列三项之和来表现。

e p sθθθθ=++(2) 在此,eθ、sθ、pθ分别为弹性弯曲变形角、塑性弯曲变形角、因剪切产生的弯曲变形角。

另外,如图2.30所示弯矩引起的塑性变形将假设集中在L α区段内。

图形中阴影部分表示发生塑性变形的区段。

因此包含塑性变形和剪切变形的柔度矩阵(flexibility matrix)如下。

()221112111113333oo o L L f EI EIEI EIEI GALαααα=+-+-+-+⎡⎛⎫⎛⎫⎤ ⎪ ⎪⎢⎥⎣⎝⎭⎝⎭⎦ (3.a)()2122112111113266oo o L Lf f EI EIEI EIEI GALαα==----+-+⎡⎛⎫⎛⎫⎤⎪ ⎪⎢⎥⎣⎝⎭⎝⎭⎦ (3.b) ()222212111113333oo o L Lf EI EIEI EIEI GALαααα=+-+-+-+⎡⎛⎫⎛⎫⎤ ⎪ ⎪⎢⎥⎣⎝⎭⎝⎭⎦ (3.c)图 2.30 弯曲刚度的分布假定构件的荷载-位移关系可用柔度矩阵表现如下。

[]{}f M θ=(4)在此,[][][][]epsf f f f =++ (5)如图2.31所示,式(5)中各项分别表示弹性弯曲变形角、塑性变形角、因剪切引起的弯曲变形角。

图 2.31 弯矩-变形角关系轴向变形、扭转变形、剪切变形弹簧在MIDAS/Gen 的Pushover 分析中假定轴力、扭矩、剪力在构件内不变,塑性铰发生在构件中央。

其荷载-位移关系可参照弯曲变形中的各式。

双向弯曲弹簧双向受弯且受轴力作用时,先计算各向的屈服弯矩后使用下面关系式建立双向受弯相关公式。

1.0ny nx nox noy M M M M αα+=⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(6)上式适用与钢筋混凝土和钢材等所有构件。

■ 塑性铰(plastic hinge)特性随着荷载的增加,结构构件将产生塑性铰,结构的刚度会发生变化,横向位移也将逐渐加大。

MIDAS/Gen 中采用的塑性铰特性如下。

铰特性 : 多折线类型(Multi-Linear Type) - 采用切向刚度矩阵(tangent stiffness matrix)- 荷载控制(load control)和位移控制(displacement control)均可- 可考虑P-Delta效果铰特性: FEMA类型(FEMA Type)时- 割线刚度矩阵(secant stiffness matrix)- 采用位移控制(displacement control)- 可考虑P-Delta效果和大位移(large deformation)效果因为结构承受的荷载大小为已知条件,所以一般采用荷载控制方法。

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