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

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选择用于评估的性能水准
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为各性能水准确定容许准则
• 容许准则即确认塑性铰的转动限值，可参考 FEMA356表5-6、表5-7、表6-7、表6-8及表6-18.
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双肢剪力墙及多肢剪力墙等代
• 双肢剪力墙或多肢剪力 墙水平截面的正应力已
墙肢轴线
经不再呈一连续的直线
分布，各墙肢之间的连
梁既传递水平推向力，
等效柱
又传递剪力和弯矩。由
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侧向力加载模式
Uniform
Mode 1
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• 事实上，任何一种侧向力分布模式都不可能反映 结构全部的变形和受力要求。建议采用两种侧向 力加载模式分别执行推覆分析，从而更全面的了 解结构的抗震性能。
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。
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1、基本思路
• 建立Pushover曲线
• 选择用于评估的地震水准
• 基本思路
• 选择用于评估的性能水准和目标 • 为各性能水准确定容许准则
• 采用特定的方法进行结构抗震 性能评估
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• 对于剪力墙的剪切行为，在PERFORM-3D中 需要定义等效剪切模量来综合考虑混凝土 和钢筋的共同作用。
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壁式框架的等代
• 当剪力墙的洞口尺寸 较大，甚至于洞口上 下梁的刚度大于洞口 侧边墙的刚度时，剪 力墙的受力特性接近 于框架。在等代的过 程中只需要计算刚臂 的尺寸即可，剪力墙 墙肢和连梁用相同尺 寸的柱、梁代替。
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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
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一、静力弹塑性分析方法（Pushover）
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Pushover分析在结构抗震分析中的应用
• 侧向荷载的分布代表在设计地震作用下结 构层惯性力的分布，侧向荷载的分布模式 直接影响Pushover的分析结果，因此侧向 荷载模式的选取是Pushover分析中的一个 关键问题。
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建立Pushover曲线
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选择用于评估的地震水准
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2、框架、剪力墙塑性行为的模拟
• 框架塑性行为的模拟可以通过塑性铰模型 或者纤维模型来模拟。
SAP2000
塑性铰
ETABS
PERFORM-3D
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纤维模型模拟框架单元的塑性行为
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对于非对称空间结构，增加推覆工况
前侧推覆
右侧推覆
非对称模型
左侧推覆
后侧推覆
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纤维模型
SAP2000
PERFORM-3D
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框架单元的塑性铰行为
塑性铰行为
轴力铰行为 剪力铰行为 弯矩铰行为
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剪力墙塑性行为的模拟
SAP2000分层壳
剪力墙塑性行为
ETABS等框架柱
PERFORM-3D纤维截面
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SAP2000分层壳模型
• 基于复合材料力学原理将一个壳单元分成很多层 • 每层根据需要设置不同的厚度和材料 • 壳单元各层材料在厚度方向满足平截面假定 • 全面反映壳体结构的空间力学性能
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ETABS等代框架模型
• 由于早期版本的SAP2000以及目前的ETABS 程序中，只提供了杆件单元的塑性铰模型， 没有壳面的弹塑性模型，对于含剪力墙结 构的Pushover分析需要用等代框架代替剪 力墙。按照性能等效、内力等效的原则， 将墙体等效为框架，并指定塑性铰来模拟 剪力墙的塑性行为。
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于高层建筑层数多，从
整体上看，连梁即多又
密，因此可近似将有限
多的连梁看成是沿竖向
无限密布的连续栅片。
连续栅片在层高范围内
的总抗弯刚度与原结构
中连梁的抗弯刚度相等。
连续栅片 等效柱
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对结构中的薄弱 位置或对结构性 能评估有重要意 义的构件指定相 应的塑性行为。
对于一些次要构 件可不指定相应 的塑性行为，简 化推覆计算模型。
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4、侧向力加载模式和荷载工况
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5、结果的读取、性能评价
Pushover曲线

性能点
铰结果
Pushover分析结果
分层壳结果（限 SAP2000）

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Pushover曲线
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单片墙Pushover分析中混凝土层的应力
变化
②
① ③
上升段：受拉区 拉应力和受压区 压应力不断增加
受压区混凝土压溃，受压区 边缘压力应逐渐减小，平面 压应力峰值向内侧移动
基底剪力达到 最大值
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采用特定的方法进行结构抗震性能评估 • 能力谱方法（ATC40）
• 目标位移法（FEMA356）
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即将推出的ETABS新版本将会采用分层壳模型 解决剪力墙的塑性模拟问题！！
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Perform-3D纤维截面
• Perform3D提供了剪力墙纤维截面来模拟剪力 墙的P-M相关行为。钢筋混凝土剪力墙由钢筋 纤维和混凝土纤维组成 。钢筋纤维可以屈服， 可以模拟钢筋纤维屈服后的刚度滞回退化效 应；混凝土可以开裂，同时可以滑移。
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整截面剪力墙、整体小开口剪力墙等代
• 当剪力墙上不开洞 或者洞口较小时， 洞口对剪力墙内力 分布的影响不大， 这时剪力墙犹如一 根竖直放置的悬臂 梁，在侧向荷载作 用下墙肢截面的应 力及墙肢变形可直 接套用材料力学公 式计算。
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剪力墙
混凝土
2
钢筋
剪力墙
混凝土
2
2
纵向钢筋
横向钢筋
材
料
主
轴 方
2
2
向
剪力墙分层壳模型
混凝土层 纵向钢筋层
横向钢筋层
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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。
• 除了检查结构的整体性能，还应检查构件的局 部变形，即梁、柱等构件的塑性铰变形。根据 定义铰时给定的能力状态（点B、C、D、E）和 容许准则（IO、LS、CP），检查铰的变形是否 超过某性能水准下的允许弹塑性变形。
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性能点

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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
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3、Pushover模型的合理简化
• 用于Pushover分析的结构模型，应该充分 体现结构行为的三维特征。
质量分布 强度 刚度
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塑性行为指定的简化处理
2.5Ca = η2αmax
Cv T
=
⎛ ⎜ ⎝
Tg T
⎞r ⎟
η2α
max
⎠
Ca Cv
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结构行为类型
地震持时 新建筑 一般现存建筑 现存老建筑
短 Type A Type B 长 Type B Type C
Type C Type C
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铰结果
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分层壳结果
• 在完成整个结构的Pushover分析之后，分 层壳的塑性行为可以通过如下几个方面的 信息来获取：
• 1）推覆过程中每一步的壳元的应力变化； • 2）自定义绘图函数显示分层壳元的基底剪
力-检测点位移。
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