为什么弹塑性分析模块会有弹性时程分析选项

动力弹塑性时程分析技术抗震应用阐述

动力弹塑性时程分析技术抗震应用阐述高层建筑是当前建筑的主要形式，新材料、新技术的应用使得建筑质量提高，功能越来越齐全。

但其结构设计也更复杂，施工难度加大，因此对其抗震施工技术提出了更高的要求。

高层建筑的投资数额较大，周期也相对较长，而动力弹性时程分析技术是一项综合性较强的技术工作，涉及每一个环节，一旦出现问题，必将影响到施工质量。

从而延误工期，甚至引发安全事故，带来严重的损失。

所以，在施工过程中，必须加强建筑结构抗震设计中对动力弹塑性时程分析技术的应用，进而保证及时解决潜在的隐患。

1.动力弹塑性时程分析技术概述弹塑性时程分析方法可以有效的将结构作为弹塑性振动体系进行相应的分析，并通过对地震波数据在地面运动中的输入应用，可以有效的进行下一步的积分运算，进而可以得出地面加速度随着时间的变化而发生的变化，同时，还可以得出结构的内力与变形随着时间的变化而变化的整个过程。

动力弹塑性时程分析技术的应用通常有以下几个步骤：第一，通过对几何模型的建立，进而实现网格的划分工作；第二，对材料的本构关系进行确定，并根据各个构件自身的单元类型及材料类型的确定，进而对结构的质量、刚度及阻尼矩阵进行确定；第三，根据本场地的地震波，并对模型的边界条件进行定义，进而得出相应的计算结果；第四，根据计算所得出的结果进行进一步的处理工作，并根据处理的结果进行结构整体性可靠度的评估。

2 高层建筑动力弹塑性时程分析技术管理现状2.1材料设备管理中的问题材料是建筑的基础，现代化高层建筑用途不同，所用的材料也千差万别，加上各种新型材料日新月异，种类繁多，管理十分复杂。

如果购置时质检把关不严、储存方式不合理，很容易出现材料不能及时供应等情况，或导致材料性能下降，或与工程技术要求不相符。

各项机械设备、电气设备也是施工中不可或缺的元素，由于制度不健全、监督不严，存在着违规操作等不规范行为，这就导致动力弹塑性时程分析技术在实际的工程施工过程中不能得到有效的反应。

弹塑性分析输出结果解读

（一）时程法的规范规定
• 目的：补充计算（5.1.2-3）。 • 范围：高度和跨度（5.1.2-3，5，6）。 • 地震有效峰值加速度EPA：（5.1.2-3）
由αmax反算，EPA = αmax/ β , 统一取 β = 2.25。
（二）输入地震波准则
• 地震波数量：3组，取包络；7组，取平均。 • 选波原则：按场地类别和地震分组选择，平均地震影响系数曲线与规
40
US033 30
20
40
10
30
US031
0
20
加速度（gal）
10 -10
0 -20
-10
-4300
U-2S0032
-34000
20
40
60
80-30 100
20
t (sec)
-40
（三）常用软件
• Abagus • Perform-3D • Etabs • Midas • LS-Dyna • Sausage • Marc
大震/小震 •地震作用:4 ～ 7倍（烈度9 ～ 6） •基底剪力3 ～ 5倍？ •楼层位移（角） 3 ～ 5倍？
大震弹塑性/大震弹性 •顶点位移时程曲线（结构刚度退化） •基底剪力时程曲线
利科•西安国际金融中心（Abaqus）
塔楼是一栋以高端写字楼为主的商务综合体，高度349.7m，地上75层。裙房共3层，为配套的商业和餐饮，裙房与主楼在地上部分设缝脱开。地下共4层，为配套用房及车库，地下部分不设缝。
2014.09.01
标准层平面布置
塔楼标准层主要功能为办公。
加速度（gal）
范曲线在统计意义上相符，小震和大震地震波不同（反应谱Tg不同）。 • 地震波检验：结构主向，底部总剪力满足：

《弹塑性时程分析法》PPT课件

(U i1
U8 )
（4.1.13）
需要指出，式（4.1.8）～式（4.1.13）中，U3 、P(U3) 、U 4 、U7 、P(U7 )
和U8 分别表示与点 3、4、7、8 对应的恢复力与变形的绝对值。
§4 弹塑性时程分析法
4.1.1.3 曲线型模型
钢筋混凝土结构典型的曲线型模型有谷资信提出的标准特征滞回曲线（Normalized Characteristic Loop, NCL）模型。NCL模型由骨架曲线和标准滞回曲线组成。
§4 弹塑性时程分析法
多自由度体系在地震作用下的运动方程为 Mx(t) Cx (t) Kx(t) MIxg (t)
式中，M、C 和 K 分别为结构体系的质量、阻尼和刚度矩阵； x(t) 、 x (t) 和
x(t) 分别为体系的加速度、速度和位移向量。对刚度矩阵 K 的讨论:
(1) 在弹性阶段,K 是定值,不随变形而变化. (2) 在弹塑性阶段,K 值随结构变形状态不同而改变。 (3) 由于地震下结构变形为一个循环往复的过程，因此 K 值随着变形也是
初始条件为 U i U y ， P(U i ) Py
刚度降低系数为
k2 k1
1
故 P(Ui1) Py k1(Ui1 U y ) （4.1.3）
（3）正向硬化阶段卸载（23 段）
此阶段有U 0 ，U U 2
初始条件为U i U 2 ， P(U i ) P(U 2 ) 刚度降低系数为 1
§4 弹塑性时程分析法
4.2.1 层模型
层模型以一个楼层为基本单元，用每层的刚度（层刚度）表示结构的刚度。层模型假定建筑各层楼板在其自身平面内刚度无穷大，因此可将整个结构合并为一根竖杆，并将全部建筑质量就近分别集中于各楼层楼盖处作为一个质点，考虑两个方向的水平振动，从而形成“串联质点系”振动模型，如图4.2.1（a）所示。对质量与刚度明显不对称、不均匀的结构，应考虑双向水平振动和楼盖扭转的影响，此时采用“串联刚片系”振动模型考虑转动惯量I对振动的影响，如图4.2.1（b）所示。层模型一般把位移参考点设在每层的质心，其本构关系是层总体位移与层总体内力之间的关系，可以采用静力弹塑性分析法确定结构层刚度及其恢复力模型，此时一般应考虑各类杆件的弯曲、剪切和轴向变形。层模型的优点是简单、计算量较小；缺点是模型比较粗糙，不能描述结构各构件的弹塑性变形过程，不能完全满足结构抗震设计的要求。

YJK动力弹塑性时程分析详解

8.955100e-005 -8.381950e-005 -2.350330e-004 -7.782120e-004 -7.265580e-004 -4.008440e-004 … SW: 1.855060e-004 9.636760e-005 2.856650e-004 2.530350e-004 4.269670e-004 3.687970e-004 5.499770e-004 … 地震波标示符说明
目标最佳。
2 弹塑性时程分析流程
完整的弹塑性时程分析过程如下图所示，程序提供下图所有功能模块，计算完成后以图形和表格的方式输出超限结构弹塑性分析报告所用数据。
线弹性分析与设计
分析与设计施工图
选择地震波
3组或7组
弹塑性时程分析
生成数据
含钢筋数据
动力方程求解
NewMark数 00200 -0.00200 -0.00100 -0.00100 -0.00100 -0.00100 -0.00100 -0.00100 -0.00100 0.00000 -0.00100 0.00000 -0.00000 -0.00100 -0.00100 -0.00100 -0.00100 -0.00100 -0.00100 -0.00100 -0.00100 -0.00100 -0.00100 0.00000 -0.00200 0.00200 0.00100 -0.00000 -0.00100 … 对话框中参数应按如下方式设置：步长设置：0.02；故数据起始行号：5，因前 5 行数据为说明行；一行数据个数：5。
4.1.2 地震波选择
弹塑性动力时程分析结果，对地震波的依赖程度比较高。同一结构，采用不同的地震波，计算结果可能有非常明显的差异。依据《高规》[4]5.5.1 条第 6 款：进行动力弹塑性计算时，地面运动的加速度时程的选取、预估罕遇地震作用时的峰值加速度取值以及计算结果的选用应符合该规程第 4.3.5 的规定。

弹塑性时程分析

弹塑性时程分析方法将结构作为弹塑性振动体系加以分析，直接按照地震波数据输入地面运动，通过积分运算，求得在地面加速度随时间变化期间内，结构的内力和变形随时间变化的全过程，也称为弹塑性直接动力法。

基本原理多自由度体系在地面运动作用下的振动方程为：式中、、分别为体系的水平位移、速度、加速度向量；为地面运动水平加速度，、、分别为体系的刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵。

将强震记录下来的某水平分量加速度－时间曲线划分为很小的时段，然后依次对各个时段通过振动方程进行直接积分，从而求出体系在各时刻的位移、速度和加速度，进而计算结构的内力。

式中结构整体的刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵通过每个构件所赋予的单元和材料类型组装形成。

动力弹塑性分析中对于材料需要考虑包括：在往复循环加载下，混凝土及钢材的滞回性能、混凝土从出现开裂直至完全压碎退出工作全过程中的刚度退化、混凝土拉压循环中强度恢复等大量非线性问题。

基本步骤弹塑性动力分析包括以下几个步骤：(1) 建立结构的几何模型并划分网格；(2) 定义材料的本构关系，通过对各个构件指定相应的单元类型和材料类型确定结构的质量、刚度和阻尼矩阵；(3) 输入适合本场地的地震波并定义模型的边界条件，开始计算；(4) 计算完成后，对结果数据进行处理，对结构整体的可靠度做出评估。

计算模型在常用的商业有限元软件中，ABAQUS、ADINA、ANSYS、MSC.MARC都内置了混凝土的本构模型，并提供了丰富的单元类型及相应的前后处理功能。

在这些程序中一般都有专用的钢筋模型，可以建立组合式或整体式钢筋。

以ABAQUS为例，它提供了混凝土弹塑性断裂和混凝土损伤模型以及钢筋单元。

其中弹塑性断裂和损伤的混凝土模型非常适合于钢筋混凝土结构的动力弹塑性分析。

它的主要优点有：(1) 应用范围广泛，可以使用在梁单元、壳单元和实体单元等各种单元类型中，并与钢筋单元共同工作；(2) 可以准确模拟混凝土结构在单调加载、循环加载和动力荷载下的响应，并且可以考虑应变速率的影响；(3) 引入了损伤指标的概念，可以对混凝土的弹性刚度矩阵进行折减，可以模拟混凝土的刚度随着损伤增加而降低的特点；(4) 将非关联硬化引入到了混凝土弹塑性本构模型中，可以更好的模拟混凝土的受压弹塑性行为，可以人为指定混凝土的拉伸强化曲线，从而更好的模拟开裂截面之间混凝土和钢筋共同作用的情况；(5) 可以人为的控制裂缝闭合前后的行为，更好的模拟反复荷载作用下混凝土的反应。

建筑结构弹塑性分析方法简介

弹塑性分析方法静力弹塑性分析（PUSH-OVER ANAL YSIS）方法也称为推覆法，该方法基于美国的FEMA-273抗震评估方法和A TC-40报告，是一种介于弹性分析和动力弹塑性分析之间的方法，其理论核心是“目标位移法”和“承载力谱法”。

弹塑性时程分析方法将结构作为弹塑性振动体系加以分析，直接按照地震波数据输入地面运动，通过积分运算，求得在地面加速度随时间变化期间内，结构的内力和变形随时间变化的全过程，也称为弹塑性直接动力法。

1引言《建筑抗震设计规范》5.5.2条规定，对于特别不规则的结构、板柱－抗震墙、底部框架砖房以及高度不大于150m的高层钢结构、7度三、四类场地和8度乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构宜进行弹塑性变形验算。

对于高度大于150m的钢结构、甲类建筑等结构应进行弹塑性变形验算。

《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.13条也规定，对于B级高度的高层建筑结构和复杂高层建筑结构，如带转换层、加强层及错层、连体、多塔结构等，宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。

历史上的多次震害也证明了弹塑性分析的必要性：1968年日本的十橳冲地震中不少按等效静力方法进行抗震设防的多层钢筋混凝土结构遭到了严重破坏，1971年美国San Fernando 地震、1975年日本大分地震也出现了类似的情况。

相反，1957年墨西哥城地震中11～16层的许多建筑物遭到破坏，而首次采用了动力弹塑性分析的一座44层建筑物却安然无恙，1985年该建筑又经历了一次8.1级地震依然完好无损。

可以看出，随着建筑高度迅速增长，复杂程度日益提高，完全采用弹性理论进行结构分析计算和设计已经难以满足需要，弹塑性分析方法也就显得越来越重要。

2静力弹塑性分析计算方法(1) 建立结构的计算模型、构件的物理参数和恢复力模型等；(2) 计算结构在竖向荷载作用下的内力；(3) 建立侧向荷载作用下的荷载分布形式，将地震力等效为倒三角或与第一振型等效的水平荷载模式。

弹性与弹塑性动力时程分析方法中若干问题探讨_杨志勇

建　筑　结　构　学　报(增刊1)J o u r n a l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s (S u p p l e m e n t a r y I s s u e 1)弹性与弹塑性动力时程分析方法中若干问题探讨杨志勇,黄吉锋,邵　弘(中国建筑科学研究院结构所,北京100013)摘要:依据大量实际工程弹性、弹塑性动力时程分析经验,结合实际工程应用,探讨了弹性、弹塑性动力时程分析方法中的一些基本问题。

针对性地分析了动力时程分析方法中地震波的离散性;地震波如何与反应谱曲线在统计意义上相符;人工模拟地震波方法及其工程应用;弹性、弹塑性时程分析法选取地震波的基本原则;弹性时程分析法地震波的选取数量;如何将反应谱分析结果与时程分析结果取较大值等方面的问题。

通过大量的算例分析可以看出,正确地应用弹性、弹塑性动力时程分析方法需要从多个方面进行准确理解和把握,教条地应用很难发挥弹性、弹塑性动力时程分析应有的作用。

关键词:弹性时程分析法;弹塑性时程分析法;地震波;反应谱中图分类号:T U 311.3 文献标识码:AD i s c u s s i o n o n l i n e a r a n d n o n l i n e a r t i m e h i s t o r y a n a l y s i s m e t h o dY A N GZ h i y o n g ,H U A N GJ i f e n g ,S H A OH o n g(B u i l d i n g S t r u c t u r e R e s e a r c h I n s t i t u t e ,C h i n a A c a d e m y o f B u i l d i n g R e s e a r c h ,B e i j i n g 100013,C h i n a )A b s t r a c t :T h i s p a p e r d i s c u s s e dl i n e a r a n dn o n l i n e a r t i m eh i s t o r y a n a l y s i s m e t h o d ,e s p e c i a l l y c o n c e r n i n g w i t ht h ef o l l o w i n gi s s u e s :t h e d i s p e r s e o f e a r t h q u a k e w a v e ,s c a l i n g t h e e a r t h q u a k e w a v e t o f i t t h e d e s i g n r e s p o n s e s p e c t r u mo f C h i n a c o d e ,t h e e a r t h q u a k e w a v e s i m u l a t i o n m e t h o d ,t h e b a s i c p r i n c i p l e o f e a r t h q u a k e w a v e s e l e c t i o n ,t h e n u m b e r o f w a v e s r e q u i r e d i n t i m e h i s t o r y a n a l y s i s ,a n d t h e m a x i m u ms t r u c t u r a l r e s p o n s e f r o ms p e c t r u ma n a l y s i s a n dt i m e h i s t o r ya n a l y s i s .A s s h o w ni nm a n y e x a m p l e s ,l i n e a r a n d n o n l i n e a r t i m e h i s t o r y a n a l y s i s m e t h o ds h o u l db e u s e da p p r o p r i a t e l y t o o b t a i n u s e f u l r e s u l t s .K e y w o r d s :l i n e a r t i m e h i s t o r y a n a l y s i s m e t h o d ;n o n l i n e a r t i m e h i s t o r y a n a l y s i s m e t h o d ;e a r t h q u a k e w a v e ;r e s p o n s e s p e c t r u m基金项目:建设部软科学研究资助项目(06-K 9-31)。

sap2000弹塑性分析方法

SAP2000弹塑性分析方法运用总结结构的抗震设计一般可通过三个方面来实现，一种是增加结构的截面和刚度来“抗震”，此时如果要使结构在大震作用下保持弹性状态，结构需要具有如右图所示的承载能力，此时结构的设计截面会变得非常不经济；第二种方法是容许结构发生一定的塑性变形，并保证结构不发生倒塌的"耐"震设计（或叫延性设计）；第三种方法是通过一些装置地震响应比较（如阻尼器、隔振装置等）来吸收能量的"减"震或"隔"震设计。

当结构和结构构件具有一定的延性时，大震作用下部分构件会发生屈服，此时结构的周期会变长，结构周期的变长反过来减小了地震引起的惯性力，即塑性铰的出现吸收了部分地震能量，从而避免了结构的倒塌。

对结构抗震性能的评价以往多从强度入手，但结构在发生屈服后仍具有一定的耗能和变形能力，因此用能够反映结构延性和耗能能力的变形评价结构的抗震性能应更为合适。

通过动力弹塑性分析我们不仅要了解结构发生屈服和倒塌时的地震作用的大小，同时也要了解结构的变形能力（弹塑性层间位移角、延性系数等）、构件的变形能力、铰出现顺序等，从而实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防目标。

目的：1) 评价建筑在罕遇地震下的抗震性，根据主要构件的塑性破坏情况和整体变形情况，确认结构是否满足性能目标的要求。

2) 研究超限对结构抗震性能的影响，包括罕遇地震下的最大层间位移；3)根据以上分析结果，针对结构薄弱部位和薄弱构件提高相应的加强措施。

弹塑性分析两种方法：1、静力弹塑性方法push-over2、动力弹塑性时程分析《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（以下简称《抗规》)第1.0.1条中规定了三水准设防目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

《抗规》5.5.2条中分别规定了"应"进行弹塑性变形验算和"宜"进行弹塑性变形验算的结构。

精编弹塑性时程分析法资料

时刚度退化。 ③ 非弹性阶段卸载至零第一次反向加载时直线指向反向屈
服点，后续反向加载时直线指向所经历过的最大位移点。 ④ 中途卸载时，卸载刚度取 k1。
《工程结构抗震与防灾》电子教案东南大学源自幼亮§4 弹塑性时程分析法
9
2. 双线型模型力学描述：
设 P(Ui ) 、U i 表示ti 时刻结构的恢复力与变形，则在ti1时刻刚度退化双线
P(Ui ) P(U7 )
刚度降低系数为

4

k4 k1
Py U yk1
故
P(U i1 )

P(U3)

P(U
7
)
Py Uy
(U i1

Py Uy
(U i1
U3) U7
)
（4.1.11）
《工程结构抗震与防灾》电子教案
东南大学
丁幼亮
§4 弹塑性时程分析法
U 0 ，U U6
初始条件为
U i U 6 ， P(U i ) P(U 6 ) 0
刚度降低系数为
P(U 2 )
(U 2 U 6 )k1
故
P(U i1 )
P(U 2 ) U2 U6
(U i1
U6 )
（4.1.7）
需要指出，式（4.1.2）～式（4.1.7）中，U 2 、 P(U 2 ) 、U 3 、U5 、 P(U5)
(1) 在弹性阶段,K 是定值,不随变形而变化. (2) 在弹塑性阶段,K 值随结构变形状态不同而改变。 (3) 由于地震下结构变形为一个循环往复的过程，因此 K 值随着变形也是
个循环往复的过程。
因此，弹塑性时程分析法必须首先确定刚度与变形之间的关系，

弹性、弹塑性时程分析

PKPM软件园地建筑结构.技术通讯 2007年1月弹性、弹塑性时程分析法在结构设计中的应用杨志勇黄吉锋（中国建筑科学研究院北京 100013）0 前言地震作用是建筑结构可能遭遇的最主要灾害作用之一。

几十年来，人们积累了大量的实测地震资料，这些资料多以位移、速度或者加速度时程的形式体现。

与此相对应，时程分析方法也被认为是最直接的一种计算建筑结构地震响应的方法。

但是，由于地震作用随机性导致计算结果的不确定性，弹性时程分析方法只是结构设计的一种辅助计算方法；虽然如此，抗震规范为了增强重要结构的抗震安全性，还是将弹性时程分析方法规定为常遇地震作用下振型分解反应谱法的一种补充计算方法；尤其是考虑了结构的弹塑性性能后，弹塑性时程分析方法更是被普遍认为是一种仿真的罕遇地震作用响应计算方法。

《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001）第3.6.2，5.1.2，5.5.1，5.5.2，5.5.3等条文规定了时程分析相关的内容。

下面结合TAT ，SATWE ，PMSAP 和EPDA 等软件应用，探讨如何将弹性、弹塑性时程分析正确应用到结构设计中去。

1 弹性时程分析的正确应用11正确地在软件中应用弹性时程分析方法需要对规范的相关条文规定有正确的认识。

以下几点是需要特别明确的：（1）抗震规范第5.1.2条第3点规定，“可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值”。

在设计过程中，如何实现“较大值”有不同的做法：1)设计采用弹性时程分析的构件内力响应包络值的多波平均值与振型分解反应谱法计算结果二者的较大值直接进行构件设计；2)在实现振型分解反应谱方法时，放大地震力使得到的楼层响应曲线包住时程分析楼层响应曲线的平均值。

图1 SATWE 地震作用放大系数前一种做法可能使得构件配筋较大，因为在时程分析过程中，构件内力的最大响应具有不同时性，采用包络值进行设计会使得构件内力，尤其是压弯构件内力偏于保守。

弹塑性分析方法

可以看出，对重要的高层建筑和复杂结构进行动力弹塑性分析可以弥补弹性分析方法的不足，帮助设计人员找到其薄弱部位，对结构在地震作用下的可靠度进行评估，减少了设计的盲目性，使结构设计更加合理和安全
5．结语
结构的动力弹塑性分析方法是一项非常复杂的工作，从计算模型的简化、恢复力模型的确定、地震波的选用，直至计算结果的分析和后处理都需要进行大量的工作，而且数据量庞大，计算周期较长。但是它是目前进行结构抗震分析最为理想的方法，具有其它方法无可比拟的优势。
(4) 将
非关联硬化引入到了混凝土弹塑性本构模型中，可以更好的模拟混凝土的受压弹塑性行为，可以人为指定混凝土的拉伸强化曲线，从而更好的模拟开裂截面之间混凝土和钢筋共同作用的情况；
(5) 可以人为的控制裂缝闭合前后的行为，更好的模拟反复荷载作用下混凝土的反应。
(1) 由于输入的是地震波的整个过程，可以真实反映各个时刻地震作用引起的结构响应，包括变形、应力、损伤形态（开裂和破坏）等； (2) 目前许多程序是通过定义材料的本构关系来考虑结构的弹塑性性能，因此可以准确模拟任何结构，计算模型简化较少；
(3) 该方法基于塑性区的概念，相比POA中单一的塑性铰判别法，特别是对于带剪力墙的结构，结果更为准确可靠。
图3 东莞台商会馆大楼
该结构高度较高，周期较长，受高阶振型影响明显，而且核心筒剪力墙的是否安全可靠是整个分析的重点，因此POA方法并不适用于本案。经过比较，最终采用大型通用有限元软件ABAQUS进行了动力弹塑性时程分析，单次计算时间为7.5天。计算选取EL-CENTRO波和场地波进行计算，加速度峰值均为163gal，地震波持时30秒。之前该结构采用ETABS和MTS进行了弹性计算，各项指标正常，均满足规范要求。而采用ABAQUS进行初算后，却发现该结构在局部楼层剪力墙发生了严重的塑性破坏，表现为混凝土压碎，剪力墙钢筋出现屈服。针对结构在弹塑性分析中出现的薄弱部位和破坏区域，对原设计进行了局部调整和优化，最终对新的方案进行了再次计算。计算发现：EL-CENTRO波作用下，从地震加载开始，剪力墙裂缝逐步发展。至地震结束时，Y向的所有连梁和X向顶部和底部的连梁基本裂通，根据连梁上的裂缝分布和应力判断均为受弯破坏，连梁端部剪应力较低，满足“强剪弱弯”的要求。核心筒墙体仅在54层加强层X向剪力墙上出现较为明显的拉、压裂缝，但破坏程度较轻，

基于结构工程软件的精细化分析策略研究

基于结构工程软件的精细化分析策略研究发布时间：2022-08-28T05:21:31.819Z 来源：《科技新时代》2022年第1月2期作者：徐进超[导读] MIDAS/Building因其基于标准层概念的三维建模功能徐进超2110021987****3814摘要：MIDAS/Building因其基于标准层概念的三维建模功能，提高了建模的直观性和便利性，从而提高了建模的效率。

随着工程计算进一步追求精细化，其基于构件的集中塑性铰模型和墙体宏模型的弹塑性分析方法不能满足精度要求，通用有限元软件ABAQUS采用基于材料本构的纤维模型和分层壳模型，能够得到更为准确的结果而成为工程非线性计算分析的热点方向，但受其建模功能的制约对其应用于工程实际分析中有一定的限制。

对此本文基于MIDAS/Gen To ABAQUS的模型转换程序，提出MIDAS/Building到ABAQUS的模型转化方案，从而提高分析前处理效率。

同时对于不规则结构而言，因不删除楼板而直接进行模型转换会生成形状不理想的畸变单元，若直接利用该模型转换生成的ABAQUS模型会对分析的结果和效率产生较大的影响，本文利用专业网格划分软件HyperMesh 对从ABAQUS导入的有限元模型进行了网格划分和优化，改善了该模型的网格质量同时提高了计算精度。

关键字：结构工程软件；精细化；分析策略MIDAS/Building作为第三代结构设计软件，有着简单、便于操作的图形用户界面，它提供的基于三维的建模方式为结构设计人员提供直观设计过程，符合实际施工流程的设计步骤大大提高了工程师的工作效率，同时它还提供各种实用的结果文件包括二维图形、三维图形、表格和文本输出，作为设计者判断结果正确性的重要依据。

基于MIDASBiding建模的优势和ABAQUS的前处理过程的不足，如何提高动力弹塑性分析效率，节省前处理过程中重复建模的所花费的时间，实现MIDAS/Buiding模型与ABAQUS模型转换具有重要的意义。

131-刘春明、张宏-大震弹塑性分析软件PKPM-SAUSAGE技术特点

大震弹塑性分析软件PKPM-SAUSAGE技术特点刘春明，张宏（广州建研数力建筑科技有限公司，北京100013）提要：PKPM-SAUSAGE是广州建研数力新推出的一款大震下动力弹塑性分析程序，采用了考虑塑性损伤的混凝土本构模型以及高效GPU并行显式求解技术。

本文介绍了PKPM-SAUSAGE软件的技术特点以及应用方面的一些技术细节，对工程师处理实际工程动力弹塑性分析问题具有一定的指导意义。

关键词：PKPM-SAUSAGE，弹塑性分析近年来，我国超限项目迅猛发展，每年全国都有上千个超限项目通过专家审查。

在完成超限报告的过程中，弹塑性动力时程分析结果是最费时最不好把握的内容之一。

针对结构进行动力弹塑性分析的目的是了解结构在大震下是否还具备保护人身安全的能力（大震不倒），结构的抗震体系是否合理。

这通常是根据结构在大震下的变形情况以及结构破坏的部位、程度和次序等因素来判断的。

本文通过剖析PKPM-SAUSAGE的技术特点，展示软件的技术细节，希望对结构工程师有所启发。

1 弹塑性分析软件介绍我国建筑设计规范对高层建筑结构在大震下的位移以及变形能力等性能指标提出了严格要求。

因此建筑结构工程中陆续引进各种分析软件用于结构弹塑性动力时程分析。

由于软、硬件发展的局限性，这些软件都一定程度地满足了当时人们的需要。

随着结构理论以及计算分析技术的发展，国内的弹塑性分析也经历了相应的从简化分析方法到静力弹塑性推覆再到动力弹塑性的一个发展过程。

SAP2000、Perform3D引入了Pushover分析和非线性动力分析概念，使用框架的杆单元模型进行弹塑性分析，但是由于存在建模繁琐、不能直接使用设计配筋以及计算收敛性差等缺点限制了软件的工程应用。

Midas/Building将这种塑性铰推广到使用框架铰模拟框架和纤维铰模拟剪力墙，加入了丰富的滞回模型，并可以考虑施工加载，自动引入钢筋进行结构静力推覆或动力弹塑性分析。

EPDA/PUSH引入纤维铰考虑框架、非线性分层壳单元模拟混凝土剪力墙，首先在程序中使用渐变模型模拟弹塑性发展过程。

SAP2k第6章弹性及弹塑性时程分析

Wen塑性单元行为描述如下：
f r k d 1 r yield z
式中：k为弹性弹簧常数；yield为屈服力；r为指定的屈
服后刚度对弹性刚度的比值；z为一个内部的滞后变量，
此变量范围为|z|≤ 1，其屈服面由|z|= 1代表。。
其中exp 为等于或大于1 的指数。
此指数越大，屈服比率越陡。实际指
数限值大约是20。公式z‘ 等价于
Wen 模型A＝1 及α＝β＝0.5。
2.3 单元类型介绍——滞回（橡胶）隔震属性
双轴的滞后隔振器，对于两个剪切变形有耦合的塑性属性
，且对余下的4个变形有线性的有效刚度属性。对每一个
剪切变形自由度，用户可独立的指定线性或非线性的行为。
2.3 单元类型介绍——滞回（橡胶）隔震属性
●在每一曲线终点的斜率不能为负
2.3 单元类型介绍——多段线性塑性连接单元
用户定义多段线性曲线上的点时，对称的成对点将被
连接，即使是非对称的曲线。这样能够对滞回曲线的形状
进行一些控制。
2.3 单元类型介绍——多段线性塑性连接单元
Takeda模型
Takeda模型在卸载过程中，当通过水平轴时，卸载曲线
沿反向加载路径（Backbone Force Deformat ion ）
的切线方向。
2.3 单元类型介绍——多段线性塑性连接单元
枢纽点（Pivot）模型
这个模型与Takeda 塑性模型相似，但是具有一个附加
参数来控制退化滞回曲线。适用于钢筋混凝土单元，是基
于趋向于在力－变形（或弯矩－转动）平面内指定点、也
筏板基础等。
体单元
主要用于细部分析。
点单元
也称连接单元，可在两节点之间绘制，也可在一个节

16_时程分析选项说明

时程荷载工况中几个选项的说明动力方程式如下：在做时程分析时，所有选项的设置都与动力方程中各项的构成和方程的求解方法有关，所以在学习时程分析时，应时刻联想动力方程的构成，这样有助于理解各选项的设置。

另外，正如哲学家所言：运动是绝对的，静止是相对的。

静力分析方程同样可由动力方程中简化(去掉加速度、速度项，位移项和荷载项去掉时间参数)。

0.几个概念自由振动: 指动力方程中P(t)=0的情况。

P(t)不为零时的振动为强迫振动。

无阻尼振动: 指[C]=0的情况。

无阻尼自由振动: 指[C]=0且P(t)=0的情况。

无阻尼自由振动方程就是特征值分析方程。

简谐荷载: P(t)可用简谐函数表示，简谐荷载作用下的振动为简谐振动。

非简谐周期荷载: P(t)为周期性荷载，但是无法用简谐函数表示，如动水压力。

任意荷载: P(t)为随机荷载(无规律)，如地震作用。

随机荷载作用下的振动为随机振动。

冲击荷载: P(t)的大小在短时间内急剧加大或减小，冲击后结构将处于自由振动状态。

1.关于分析类型选项目前有线性和非线性两个选项。

该选项将直接影响分析过程中结构刚度矩阵的构成。

非线性选项一般用于定义了非弹性铰的动力弹塑性分析和在一般连接中定义了非线性连接(非线性边界)的结构动力分析中。

当定义了非弹性铰或在一般连接中定义了非线性连接(非线性边界)，但是在时程分析工况对话框中的分析类型中选择了“线性”时，动力分析中将不考虑非弹性铰或非线性连接的非线性特点，仅取其特性中的线性特征部分进行分析。

只受压(或只受拉)单元、只受压(或只受拉)边界在动力分析中将转换为既能受压也能受拉的单元或边界进行分析。

如果要考虑只受压(或只受拉)单元、只受压(或只受拉)边界的非线性特征进行动力分析应该使用边界条件>一般连接中的间隙和钩来模拟。

2.关于分析方法选项目前有振型叠加法、直接积分法、静力法三个选项。

这三个选项是指解动力方程的方法。

关于振型叠加法、直接积分法可以参考一些动力方程方面的书籍。

midas培训课件Building弹塑性分析

屈服强度 II 三折线刚度折减
开裂强度
I 弹性刚度相同
极限强度=材料的极限强度
III
IV
II
反映强度退化
I
三折线铰与双折线铰的比较
四折线铰
（双折线、三折线只能反映刚度退化）
-注意： - 混凝土应采用三折线、四折线铰 - 采用双折线铰，结果会偏大 - 结果大小一般顺序：双折线 > 三折线 > 四折线
MIDAS Information Technology Co., Ltd.
1
1
1
1
设防烈度
1
2
3
4
罕遇地震
2
3
4
5
注：高规3.11.3将规定对第3，4，5性能水准的结构进行弹塑性计算分析
MIDAS Information Technology Co., Ltd.
6
midas Building 新流程、新技术、新设计 --- 第三代结构设计系统
是做静力弹塑性还是做动力弹塑性分析？
16
midas Building
荷载
新流程、新技术、新设计 --- 第三代结构设计系统
• 选择的是初始内力状态
• 计算初始状态基础上的地震作用效应
选择初始荷载的目的
理论上应使用施工阶段分析的内力
结果
• 考虑和不考虑施工阶段分析，内力结果相差
较大
目前一般采用荷载
准确的施工阶段分析
22
midas Building 新流程、新技术、新设计 --- 第三代结构设计系统
Pushover分析应选取什么样的加载模式？
① Pushover分析的加载模式 - 静力荷载工况、等加速度、振型、层地震剪力

弹塑性分析原理_清华大学陆新征博士

防倒塌极限状态
现行结构设计未计算/验算
27
陆新征－超限建筑结构有限元分析讲习班
28
极端灾害
达到或超出结构原先极限设防水平的灾害作用大地震或特大地震特大火灾爆炸 ……
实际烈度海城地震唐山地震邢台地震汶川地震阪神地震 9~11 11 10 11 6~7（日本烈度）
陆新征－超限建筑结构有限元分析讲习班
现行结构设计方法存在的问题

《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153-2008 “4.1.1 极限状态可以分为承载能力极限状态和正常使用极限状态”
设防烈度 6 6 7 7 5 （日本烈度）
29
现行所有设计规范的问题：这个公式对么？基础结构的抗力结构的作用效应
R−S ≥0
陆新征－超限建筑结构有限元分析讲习班
30

得到
EI
d4 y d2 y + =w P dx 4 dx 2
dx
陆新征－超限建筑结构有限元分析讲习班
注意不同！
19
陆新征－超限建筑结构有限元分析讲习班
20
P－Delta效应
[ K g ] = [ K g , ext ] + [ K g , int ] P = L P + L 0.2 0.1L 0.1L 2 2 L 15 − 0.2 L 0.1L 1 0.1L − L2 30 0.2 − 0.1L 2 2 L − 0.1L 15
ε=
l 2 − l0 l0
≠
ε1 =
l1 − l0 l0
+
l −l ε2 = 2 1 l2

佳构STRAT软件大震弹塑性时程分析操作要点与技巧

佳构STRAT软件大震弹塑性时程分析操作要点与技巧(上海佳构软科技有限公司，2015/12)1、计算发散是计算不成功吗？大震模拟结构在强荷载下屈服、破坏。

当结构整体不足，或存在薄弱环节时，结构出现过大变形，是正常现象。

由于大震分析是数值模拟，与一般试验得到的想象毕竟有所不同。

数值分析的中的结构实效、破坏，往往表现为过大的变形。

薄弱环节导致的大震破坏，是数值分析的特点所致。

当局部构件出现大范围屈服，构件刚度趋于极小值。

在动力响应中，刚度极小的构件变形会放大、动力效应集中(类似高层中的辫梢效应、减震结构中的悬挂钟摆)。

这种局部的放大会导致相邻构件的破坏，并逐步扩散到整个结构，导致结构破坏，计算发散。

2、怎样根据分析结果，找到导致发散的“病灶”一旦计算发散，最终变形会是一个极大值(例如10e6)，图形已经混乱，无法找到破坏点。

这是可以将变形缩小(例如10e-6)。

然后，分步察看变形图。

找到开始发散的几步。

缩小图形的变形比例，会发现最初变形特别大的构件。

这些构件即是导致发散的病灶。

3、怎样增强薄弱构件1) 混凝土构件：增加配筋。

混凝土的抗震性能，主要来自于钢筋。

梁柱纵筋直接影响屈服承载力和屈服后的性能。

梁柱的箍筋，在考虑“约束混凝土”增强的时，能提高混凝土的屈服强度、和弹性模量。

2) 钢支撑：设二力杆，或不算自重。

高层中的钢支撑对抗震往往起关键作用(例如加强层)，支撑的应力比都很高，往往达到全截面屈服。

但如果存在弯矩，即便弯矩很小的情况下，都会导致截面应力分布不均匀，承载能力下降。

在反复荷载作用下，这种全截面屈服基础的上不均匀分布应力，各部分加卸载状态不同，刚度差异极大，往往导致破坏发散。

设二力杆是弯矩为0，全截面应力相同、状态相同，极大提高屈服后性能。

此外，STRA T软件中，二力杆仍包含自重的弯矩(实际情况就这样)，必要时支撑不算自重。

3) 剪力墙：a)避免狭长墙单元，适当合并节点。

b)增加配筋，不仅需要增加主要受力的暗柱钢筋，在有较大水平受力的部位还需要增加水平分布钢筋。