建筑结构大震下弹塑性分析.ppt
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➢ 较为先进的单元类型 ➢ 先进的弧长法加载策略 ➢ 非线性方程叠代方法的多种选择 ➢ 波前法解线性方程 ➢ 病态方程的特殊解法处理 ➢ 接力SATWE程序，适应的结构类型广
泛
静力弹塑性分析方法示意图
动力弹塑性分析软件EPDA实 现
16.2。弹塑性动力分析软件EPDA工程实例 实例一、五棵松体育场（2008奥运会篮球馆）
弹塑性分析的规范规定
➢ 《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001 ➢ 《高层混凝土结构技术规程》JGJ 3-2002 ➢ 《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-
98
《建筑抗震设计规范》
3.4.3条 竖向不规则结构应（宜）进行弹塑 性变形分析
3.6.2条 弹塑性分析可以根据具体情况采用 弹塑性静力、时程、简化方法
建筑结构大震下弹塑性分析
➢弹塑性分析目的、意义 ➢弹塑性分析方法 ➢弹塑性分析的具体实现
弹塑性分析目的、意义
➢ 三水准设防中的“大震不倒” ➢ 两阶段设计中的“第二阶段弹塑性变形验算” ➢ 强震下变形验算的基本问题：
计算薄弱层位移反应和变形能力；通过改善 结构均匀性和加强薄弱层使得层间位移角满 足限值要求。
简化弹塑性分析方法及局限性
➢ 适应范围小 ➢ 薄弱层确定不准确 ➢ 弹塑性层间位移为估算结果
动力弹塑性分析方法
➢ 理论基础较扎实的一种方法 ➢ 适用范围较为广泛 ➢ 对使用者要求较高 ➢ 计算时间相对较大 ➢ EPDA中已经实现
动力弹塑性分析原理
➢ 单元模型
梁、杆、柱、撑采用纤维束模型 剪力墙采用弹塑性壳单元
3。周期-最大层间位移曲线——基于等效单质点体系 综合统计出的结构周期顶点位移曲线。随着结构进入 弹塑性状态，结构的自振周期、顶点位移反应也发生 变化，竖向连接需求谱与能力谱曲线的交点，则该点 的层间位移值可以理解为抵抗设计烈度大震时的结构 弹塑性层间位移，也可以把该点的层间位移与规范限 值比较，比规范小则满足设计要求，反之则认为不满 足设计要求。
影响系数 层间位移角
周期-影响系数曲线 需求谱曲线
1/105
周期-最大位移角曲线
周期-加速度曲线 能力曲线
T 等效单自由度体系验算曲线
4。抗倒塌验算的其它方法——弹塑性分析可以按设定 的方式考虑结构的倒塌机制。如下图所示，当结构由 于外部原因，在局部失去支撑，此时分析结构的现状。
大震下结构整体性能的评估
实例二、2008奥运会国家主体育场看台
实例三、2008奥运会国家主体育场罩棚（鸟巢）
静力弹塑性分析软件PUSH实 现
荷载因子
1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 1.05
1 0
试验数据 有限元解
1000
2000
3000
结构顶点位移(mm)
罕遇地震下结构性能的评估
弹塑性位移角控制 结构薄弱部位的判断 结构的抗倒塌验算 大震下结构抗震性能的整体评估 弹塑性分析结果的讨论
5.5.2条 何种结构需要进行弹塑性变形验算 5.5.3条 弹塑性变形验算方法 5.5.4条 弹塑性分析的简化方法 5.5.5条 弹塑性层间位移角限值
应进行弹塑性变形验算的结构
1) 8 度类场地和9 度时高大的单层钢筋混凝土 柱厂房的横向排架
2) 7 9 度时楼层屈服强度系数小于0.5 的钢筋 混凝土框架结构
3) 高度大于150m 的钢结构
4) 甲类建筑和9 度时乙类建筑中的钢筋混凝土 结构和钢结构
5) 采用隔震和消能减震设计的结构
宜进行弹塑性变形验算的结构
1) 表5.1.21 所列高度范围且属于表3.4.2-2 所 列竖向不规则类型的高层建筑结构 2) 7 度类场地和8 度时乙类建筑中的钢筋混凝 土结构和钢结构 3) 板柱-抗震墙结构和底部框架砖房 4) 高度不大于150m 的高层钢结构
2。能力曲线（周期-加速度曲线）——基于等效单质点体 系综合统计出的结构周期加速度曲线。随着结构进入 弹塑性状态，结构的自振周期、顶点加速度反应也发 生变化，当该曲线穿过需求普曲线时，说明结构能够 抵抗设计烈度的大震，否则就认为不能抵抗设计烈度 的大震情况。越早穿过需求普曲线，说明结构抵抗大 震的能力越强，当曲线趋于水平时，说明结构接近破 坏、倒塌；
《高层混凝土结构技术规程》
➢ 4.6.4条 , 4.6.5条 ,5.1.13条， 4.6.4条 有具体规定
➢ 基本遵从于《建筑抗震设计规范》
《高层民用建筑钢结构技术规程》
➢ 5.3.6条～5.3.10条 ,5.4.4条， 5.5.3条 有具体规定
➢ 有层间侧移延性比规定
弹塑性分析方法
➢ 动力弹塑性（时程）分析方法 ➢ 静力弹塑性分析方法 ➢ 简化弹塑性分析方法
弹塑性位移角控制
1。结构各层弹塑性最大位移、位移角，平均位移、位 移角；
2。最大变形时刻的结构整体位移、位移角曲线； 3。对于高层尤其是超高层结构应考察有害位移、有害
层间位移角，有害位移是结构真正的变形位移，对高 层结构最大有害层间位移与最ห้องสมุดไป่ตู้层间位移往往差异较 大，分布也不同； 4。目前抗震规范仍然以层间位移角给出判断指标，所 以弹塑性位移控制仍以规范为准。
➢ 方程解法
PCG解线性方程 多种解动力微分方程方法 多种解非线性方程方法
➢ 接力SATWE、PMSAP程序，适用的结构类型 广泛
动力弹塑性分析方法示意图
静力弹塑性分析方法
➢ 较动力弹塑性分析方法可一定程度 节省计算时间
➢ 与动力弹塑性分析方法互为补充 ➢ PUSH中已经实现
静力弹塑性分析原理
结构薄弱部位的判断
1。最大层间位移、最大有害层间位移所在的楼层； 2。层间位移、有害层间位移超过规范限值的楼层； 3。结构构件塑性铰、剪力墙破坏点比较集中的部位； 4。结构局部变形较大的部位； 5。结构弹塑性反应力突变的部位。
薄弱部位 薄弱层
结构抗倒塌验算
1。需求谱曲线（周期-影响系数曲线）——结构在静 力推覆分析过程中，随着结构的破坏、结构阻尼的增 加、结构自振周期的变化，反映出结构在设计烈度大 震下的弹塑性最大水平地震影响系数曲线。该曲线综 合反映了结构弹塑性变形过程中地震作用变化的情况。
泛
静力弹塑性分析方法示意图
动力弹塑性分析软件EPDA实 现
16.2。弹塑性动力分析软件EPDA工程实例 实例一、五棵松体育场（2008奥运会篮球馆）
弹塑性分析的规范规定
➢ 《建筑抗震设计规范》GB 50011-2001 ➢ 《高层混凝土结构技术规程》JGJ 3-2002 ➢ 《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-
98
《建筑抗震设计规范》
3.4.3条 竖向不规则结构应（宜）进行弹塑 性变形分析
3.6.2条 弹塑性分析可以根据具体情况采用 弹塑性静力、时程、简化方法
建筑结构大震下弹塑性分析
➢弹塑性分析目的、意义 ➢弹塑性分析方法 ➢弹塑性分析的具体实现
弹塑性分析目的、意义
➢ 三水准设防中的“大震不倒” ➢ 两阶段设计中的“第二阶段弹塑性变形验算” ➢ 强震下变形验算的基本问题：
计算薄弱层位移反应和变形能力；通过改善 结构均匀性和加强薄弱层使得层间位移角满 足限值要求。
简化弹塑性分析方法及局限性
➢ 适应范围小 ➢ 薄弱层确定不准确 ➢ 弹塑性层间位移为估算结果
动力弹塑性分析方法
➢ 理论基础较扎实的一种方法 ➢ 适用范围较为广泛 ➢ 对使用者要求较高 ➢ 计算时间相对较大 ➢ EPDA中已经实现
动力弹塑性分析原理
➢ 单元模型
梁、杆、柱、撑采用纤维束模型 剪力墙采用弹塑性壳单元
3。周期-最大层间位移曲线——基于等效单质点体系 综合统计出的结构周期顶点位移曲线。随着结构进入 弹塑性状态，结构的自振周期、顶点位移反应也发生 变化，竖向连接需求谱与能力谱曲线的交点，则该点 的层间位移值可以理解为抵抗设计烈度大震时的结构 弹塑性层间位移，也可以把该点的层间位移与规范限 值比较，比规范小则满足设计要求，反之则认为不满 足设计要求。
影响系数 层间位移角
周期-影响系数曲线 需求谱曲线
1/105
周期-最大位移角曲线
周期-加速度曲线 能力曲线
T 等效单自由度体系验算曲线
4。抗倒塌验算的其它方法——弹塑性分析可以按设定 的方式考虑结构的倒塌机制。如下图所示，当结构由 于外部原因，在局部失去支撑，此时分析结构的现状。
大震下结构整体性能的评估
实例二、2008奥运会国家主体育场看台
实例三、2008奥运会国家主体育场罩棚（鸟巢）
静力弹塑性分析软件PUSH实 现
荷载因子
1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 1.05
1 0
试验数据 有限元解
1000
2000
3000
结构顶点位移(mm)
罕遇地震下结构性能的评估
弹塑性位移角控制 结构薄弱部位的判断 结构的抗倒塌验算 大震下结构抗震性能的整体评估 弹塑性分析结果的讨论
5.5.2条 何种结构需要进行弹塑性变形验算 5.5.3条 弹塑性变形验算方法 5.5.4条 弹塑性分析的简化方法 5.5.5条 弹塑性层间位移角限值
应进行弹塑性变形验算的结构
1) 8 度类场地和9 度时高大的单层钢筋混凝土 柱厂房的横向排架
2) 7 9 度时楼层屈服强度系数小于0.5 的钢筋 混凝土框架结构
3) 高度大于150m 的钢结构
4) 甲类建筑和9 度时乙类建筑中的钢筋混凝土 结构和钢结构
5) 采用隔震和消能减震设计的结构
宜进行弹塑性变形验算的结构
1) 表5.1.21 所列高度范围且属于表3.4.2-2 所 列竖向不规则类型的高层建筑结构 2) 7 度类场地和8 度时乙类建筑中的钢筋混凝 土结构和钢结构 3) 板柱-抗震墙结构和底部框架砖房 4) 高度不大于150m 的高层钢结构
2。能力曲线（周期-加速度曲线）——基于等效单质点体 系综合统计出的结构周期加速度曲线。随着结构进入 弹塑性状态，结构的自振周期、顶点加速度反应也发 生变化，当该曲线穿过需求普曲线时，说明结构能够 抵抗设计烈度的大震，否则就认为不能抵抗设计烈度 的大震情况。越早穿过需求普曲线，说明结构抵抗大 震的能力越强，当曲线趋于水平时，说明结构接近破 坏、倒塌；
《高层混凝土结构技术规程》
➢ 4.6.4条 , 4.6.5条 ,5.1.13条， 4.6.4条 有具体规定
➢ 基本遵从于《建筑抗震设计规范》
《高层民用建筑钢结构技术规程》
➢ 5.3.6条～5.3.10条 ,5.4.4条， 5.5.3条 有具体规定
➢ 有层间侧移延性比规定
弹塑性分析方法
➢ 动力弹塑性（时程）分析方法 ➢ 静力弹塑性分析方法 ➢ 简化弹塑性分析方法
弹塑性位移角控制
1。结构各层弹塑性最大位移、位移角，平均位移、位 移角；
2。最大变形时刻的结构整体位移、位移角曲线； 3。对于高层尤其是超高层结构应考察有害位移、有害
层间位移角，有害位移是结构真正的变形位移，对高 层结构最大有害层间位移与最ห้องสมุดไป่ตู้层间位移往往差异较 大，分布也不同； 4。目前抗震规范仍然以层间位移角给出判断指标，所 以弹塑性位移控制仍以规范为准。
➢ 方程解法
PCG解线性方程 多种解动力微分方程方法 多种解非线性方程方法
➢ 接力SATWE、PMSAP程序，适用的结构类型 广泛
动力弹塑性分析方法示意图
静力弹塑性分析方法
➢ 较动力弹塑性分析方法可一定程度 节省计算时间
➢ 与动力弹塑性分析方法互为补充 ➢ PUSH中已经实现
静力弹塑性分析原理
结构薄弱部位的判断
1。最大层间位移、最大有害层间位移所在的楼层； 2。层间位移、有害层间位移超过规范限值的楼层； 3。结构构件塑性铰、剪力墙破坏点比较集中的部位； 4。结构局部变形较大的部位； 5。结构弹塑性反应力突变的部位。
薄弱部位 薄弱层
结构抗倒塌验算
1。需求谱曲线（周期-影响系数曲线）——结构在静 力推覆分析过程中，随着结构的破坏、结构阻尼的增 加、结构自振周期的变化，反映出结构在设计烈度大 震下的弹塑性最大水平地震影响系数曲线。该曲线综 合反映了结构弹塑性变形过程中地震作用变化的情况。