结构动力弹塑性分析方法

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动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用

动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用

1.2 数值仿真技术的应用在工程领域的应用中,数值仿真技术主要指以计算机为手段,通过对实际问题的分析建立数值模型,结合数值计算方法来获取研究结果,并且以云图、图表、动画等直观的方式展现,达到对工程问题或者物理问题进行科学研究的目的,其中也包括了动力弹塑性分析在抗震设计中的应用。

商业软件在工程领域的应用表1结构专业建筑专业工程问题仿真软件工程问题仿真软件动力弹塑性分析ABAQUSPERFORM-3D建筑能耗PHOENICS多尺度分析ANSYSMidas Gen声、光环境RAYNOISE数值风洞模拟FLUENT/CFX烟雾扩散FDS 连续倒塌模拟MSC.MARC人员疏散Simulex1.3 动力弹塑性分析的基本要素动力弹塑性分析基本流程如图2所示。

(a)建立物理模型(c)进行数值分析,得到分析结果图2 动力弹塑性分析基本流程动力弹塑性分析方法包括以下三个基本要素:1)建立结构的弹塑性模型及地震波的数值输入;2)数值积分运算分析;3)全过程响应输出。

从设计角度解释,静力或动力弹塑性分析都类似于一种“数值模拟试验”,尤其是动力弹塑性分析可在一定程度上仿真结构在地震波作用时段内的反应过程,可理解为一种“数字振动台试验”。

表2总结了振动台试验、静力及动力弹塑性分析之间的共同点与差异。

结构弹塑性分析与振动台试验表2振动台试验静力弹塑性分析动力弹塑性分析适当的模型比例适当的模型精细化程度(宏观构件模型、微观材料模型)适当的模型材料适当的材料应力-应变曲线或者截面、构件骨架曲线适当的材料本构模型或者截面、构件的滞回模型动力加载静力加载地震波输入试验结果监测(位移,转角,应变,裂缝发展等)分析结果监测(性能曲线及性能点,变形,材料应变,材料损伤,截面利用率)分析结果监测(变形及残余变形,材料应变,材料损伤,截面利用率,能量平衡等)而动力弹塑性分析方法与线性静力分析方法却有较大的不同,如表3所示。

线性静力分析与动力弹塑性分析特点对比 表3分析方法线性静力分析方法动力弹塑性分析方法材料假定弹性模量,泊松比更为真实的材料本构模型(如钢材双折线模型,混凝土三折线模型或者更复杂)构件模拟构件刚度不变构件刚度变化(如混凝土损伤开裂导致构件刚度退化)作用力直接施加外力荷载静载作用下直接输入地震波数据进行积分运算非线性简化方法考虑P-Δ效应考虑材料非线性,几何非线性,边界非线性工况组合不同工况可以线性组合必须累计重力作用对结构在地震作用下响应的影响平衡方程静力平衡方程:动力平衡方程:分析结果工况组合结果直接用于结构设计结构反应随时间变化,从变形角度,统计结构最大反应指导结构设计注:为刚度矩阵;为阻尼矩阵;为质量矩阵;为荷载向量;为节点位移向量;为节点速度向量;为节点加速度向量。

弹塑性时程分析

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。

动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用

动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用

计算软

MIDAS Gen
PERFORM-3D
STRAT
不同软件弹塑性应用特点比较
表4
ABAQUS
LS-DYNA
材料模 型 梁柱 构件
剪力墙 构件
采用软件自带的材料模型
塑性铰或者纤维单元
需要进行等代 单向或者双向纤维
处理
宏单元
纤维单元
面内分块纤维 单元
自定义材料子程 序
纤维单元
非线性分层壳
软件自带或者用户二次开发 集中塑性铰或纤维模型
工程问题 动力弹塑性分析
多尺度分析 数值风洞模拟 连续倒塌模拟
结构专业 仿真软件 ABAQUS
PERFORM-3D ANSYS
Midas Gen FLUENT/CFX MSC.MARC
商业软件在工程领域的应用
表1
建筑专业
工程问题
仿真软件
建筑能耗
PHOENICS
声、光环境
烟雾扩散 人员疏散
RAYNOISE
(1)或
即结构分别承受两种激励——地面加速度
和外力=
——的运动方程是相同的。
2.3 基于ABAQUS软件的数值模型
在ABAQUS软件中,梁柱等单元一般都采用内置的纤维梁单元直接模拟(图4)。对于单积分点纤 维单元,单元长度的划分受塑性区长度限制。而显式分析的时间步长受单元长度影响,对于梁端、柱 端,其划分长度接近截面高度,此时积分步长达到了10-5s量级。如采用集中塑性铰模型,则单元长度不 再受限于塑性区。以LS-DYNA软件为例,对于梁、柱构件仅采用两个单元,就可以模拟跨中、端部塑性 发展,此时积分步长可以达到10-4s量级。
注: 为刚度矩阵; 为阻尼矩阵; 向量; 为节点加速度向量。

动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用

动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用
3.3 结构阻尼
阻尼作为反映结构振动过程中能量耗散的动力特性之一,不同于结构质量和刚度等其他动力特性可 直接通过计算确定,在计算中通常需要抽象为数学模型,其常见的建立形式主要有振型阻尼和瑞雷阻 尼,瑞雷阻尼由质量阻尼项αM和刚度阻尼项βK线性组成如图5所示。
图5瑞雷阻尼示意
在以PERFORM-3D为代表的隐式算法软件中,应用振型阻尼矩阵或瑞雷阻尼都较为方便。两类阻尼 矩阵可分别单独应用,也可结合一起应用。为了节约计算时间,通常用初始弹性刚度矩阵直接形成瑞雷 阻尼矩阵或计算结构的初始线弹性自振周期与振型间接形成振型阻尼矩阵,两类阻尼矩阵都不随时间变 化,虽然理论上可以采用弹塑性响应过程中更新后的结构弹塑性总体刚度矩阵。将线弹性响应阶段的振 型阻尼矩阵用于弹塑性响应阶段,是一种近似方法,因为结构进入弹塑性阶段工作后,自振周期延长, 振型形状也出现变化。如果用瑞雷阻尼矩阵,对于刚度阻尼项βK必须加以关注,特别是用纤维模型模拟 的混凝土单元的刚度阻尼项,如用纤维模型模拟的钢筋混凝土柱和剪力墙单元等。这类单元的混凝土纤 维在初始线弹性响应阶段假设为尚未开裂,开裂后单元刚度显著下降,继续用单元开裂前的刚度矩阵就 会过高估计与此类单元相关的阻尼力与能耗。
通过隐式方法求解时,在每个时间增量步长内需要迭代求解耦联的方程组,计算成本较高,增加的
计算量至少与自由度数的平方成正比。在采用显式方式进行方程求解时,计算在单元层次进行,无需组 装整体刚度矩阵,更无需对刚度矩阵求逆,只需对通常可简化为对角阵的质量矩阵求逆,计算过程中直 接求解解耦的方程组,不需要进行平衡迭代,故一般不存在收敛性问题,每个计算步的计算速度较快, 但是需要非常小的时间步长,通常要比隐式小几个数量级,计算量至少与自由度数成正比[9]。随着分析 模型中单元与节点数量的增加,显式方法的优点越加突出。

sap2000弹塑性分析方法

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。

某连体结构动力弹塑性分析报告-使用midas-building

某连体结构动力弹塑性分析报告-使用midas-building

某连体结构动力弹塑性分析报告-使用midas-building简介本文介绍了某连体结构的动力弹塑性分析过程和结果,使用了midas-building 软件进行计算和分析。

建模和材料参数设置建模使用了midas-building软件中的三维建模功能,将某连体结构建模成一个由矩形截面构成的矩形柱廊。

考虑到该结构受到的荷载是地震荷载,因此将结构的弹塑性分析过程设置为动力弹塑性分析。

在材料参数设置时,我们假设该结构主要由钢筋和混凝土构成,选用了midas-building软件中的标准材料参数。

其中钢筋的材料参数包括抗拉强度、屈服强度、弹性模量等,混凝土的材料参数包括轴向抗压强度、抗拉强度、初始弹性模量等。

根据国家标准和相关文献数据,我们进行了合理的调整和设置。

荷载设置该结构受到了地震荷载的作用,我们使用了midas-building软件中的地震荷载模拟功能进行荷载设置。

模拟时,我们设置了合理的地震加速度和保护系数,并合理选择了地震波。

动力弹塑性分析在进行动力弹塑性分析前,我们对结构进行了预处理,包括对节点和单元进行编号、分组、约束设置等。

然后,使用midas-building软件中的时程分析功能进行动力弹塑性分析。

具体分析过程如下:1.计算地震作用下的初始结构反应谱。

2.利用初始反应谱进行时程分析,得到结构的振动响应,并将响应进行波形、频谱等多种形式的分析。

3.根据分析输出的数据,进行弹塑性塑性计算,得到结构受力情况,包括节点的位移、应力、应变等参数。

结果分析根据分析计算结果,我们得到了该结构在地震荷载下的应力、位移等参数。

根据这些参数,我们对结构的受力情况进行了分析。

在最大地震作用下,该结构的最大位移为X,最大极限断面承载力为Y,最大弯矩为Z。

根据这些结果,我们对结构进行了评价和分析。

并提出了相应的加固和改进措施。

本文介绍了某连体结构的动力弹塑性分析过程和结果,采用了midas-building软件进行计算和分析。

基于纤维模型的钢筋混凝土结构动力弹塑性分析

基于纤维模型的钢筋混凝土结构动力弹塑性分析

基 于纤维 模 型 的钢筋 混凝 土 结构
动 力弹塑 性 分析
吕)天津大 学建筑 工程 学院 ,天津 30 7 002 2 )北京 交通大 学土木 建筑 工程学 院,北 京 104 0 04
摘要
采用纤维单元模型和实体单元模 型对一个钢筋混凝土柱进行了动力弹塑性分析 , 结果表 明,
多 学 者 在 通 用 有 限元 软件 的 基 础 上 进 行 了二 次 开 发 , 建 立 了用 户 自定 义 单 元 模 型 平 台 ( 旭 川 等 ,2 0 ; 陆新 征 等 ,2 0 ;方 明霁 等 ,2 0 ;秦 从 律 等 ,2 0 ) 林 07 07 08 0 5 ,但 是 由于 平
[ 稿 日期 ] 2 1— 30 收 0 0 0 .9
[ 者简介 ] 吕杨 ,男 ,生于 18 。博士研 究生 。主要 从事结 构抗 震研究 。Ema:vag u 6 . m 作 94年 - i l nt @13 o l y j c
28 5
震 灾 防御 技 术
5卷
析 ,结果 表 明纤 维单 元 模 型 能 很 好 处 理各 种 非 线 性 问题 ,求解 过 程 稳 定 ,适 合 于 强 震 作 用 下 整 体 结 构 的灾 变 过 程 分 析 。
21 模 型几何 参数 . 为验 证 截 面纤 维单元 计 算精 度和 成本 ,分别 建立 实 体单元 模 型和 纤 维单 元模 型 ,并对 Hiek 等 (0 4 dai 2 0 )文章 中的正方 形截面钢 筋混凝 土柱进行 动力弹 塑性时程 分析 。方形 截面钢
第5 卷
第 2期
震灾 防御技术
Te h l y f rEa t ua ia t rPr ve i n c noog o rhq keD s se e nto

结构动力弹塑性分析方法

结构动力弹塑性分析方法

结构动力弹塑性分析方法1. 动力理论动力理论是直接通过动力方程求解地震反应。

由于地震波为复杂的随机振动,对于多自由度体系振动不可能直接得出解析解,只可采用逐步积分法•通过直接动力分析可得到结构响应随时间的变化关系,因而该方法又称为时程分析法。

时程分析法能更真实地反映结构地震响应随时间变化的全过程,并可以得到强震下结构的弹塑性变形,因此己成为抗震分析的一种重要方法。

多自由度体系地震反应方程为:M {x(t)} - C{x(t)} - K{x(t)} - {x g(t)} (1.1)在弹塑性反应中刚度矩阵与阻尼矩阵亦随时间变化,因此不可能求出解析解,只能采取数值分析方法求解。

把整个地震反应的过程分为短而相等的时间增量缸,并假定在每一个时间区间上体系的各物理参数均为常数,它们均按区间起点的值来确定,这样就可以把非线性体系的分析近似按照一系列连续变化的线性体系来分析。

方程(1 .2)适用于结构的任何时刻,则对于结构. ■:t时刻的地震反应方程可以表示为:M {lx(t:•一t)} - C {x(t :•一t)}门K { x(t :*t)} - _ M {x g(t :xt)} (1.2)令:{ , :x} ={x(t •.⑴} -{x(t)} (1.3) { .:X} ={x(t •••L t)} -{ x (t)}(1.4){ :x} ={x(t • . :t)} -{x(t)} (1.5) { >X g}二{X g(t •: =t)} -{ x g(t)} (1.6) 择将式(1.3)与式(1.2)相减得到结构的增量平衡方程:M { x} C {「:x} - K {.:x} - -I M { .%} (1.7) 2. 方法介绍时程分析法的基本过程是将地震波按时段进行数值化后,输入结构体系的微分方程中,采用逐步积分法对结构进行弹性或弹塑性地震反应分析,得到结构在整个时域中的振动状态全过程,并描述各个时刻结构构件的内力和变形。

弹塑性分析.

弹塑性分析.

能力谱方法
剪力(Vb) 和顶点位移(UN) 关系曲线-能力曲线
– 建立能力谱曲线:对结构进行Pushover 分析,得到结构的基底
能力谱法
roof
F
Capacity Curve
Capacity Spectrum
Vbase
Pushover Analysis
Sa
transform
Vbase
roof
MDOF System
Sd SDOF System
Pushover方法的基本原理
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)。
Pushover方法的实施步骤

目标位移的求解
– 等效单自由度方法(N2方法)。将原结构等效为一弹塑性单自由度体 系,确定等效刚度、屈服荷载、屈服位移和等效自振周期。从已知的弹 性反应谱中按照等效周期可以得到结构的等效弹性位移。通过计算得到 将弹性反应谱转化为弹塑性反应谱的折减系数以及结构的延性系数,利 用等效弹性位移和反应谱折减系数以及结构延性系数就可以计算得出结
*
f y ,eq
Q* y M*
f0,eq Sa (Teq )
Sa (Teq )M *
f y ,eq Q* y 由强度折减系数谱与延性系数之间关系
R
f0,eq

T ( u 1 ) 1 Tc R u
T<Tc T Tc
计算结构的弹塑性位移
能力谱法

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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选择用于评估的性能水准
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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

弹塑性时程分析法

弹塑性时程分析法

1 弹塑性时程分析法概述
高层建筑结构采用时程分析法可以达到以下目的: 能够比较好地描述出结构物在地震时实际的受力和变形状态,能够比 较真实的揭露出结构中的薄弱环节,以便有效地改进结构的抗震设计 其计算结果是对振型分解反应谱法的补充,即根据差异的大小和实际 可能,对反应谱法计算结果,按照总剪力判断、位移判断,以结构层 间剪力和层间变形为主要控制指标,加以比较、分析,适当调整反应 谱的计算结果,从而取得较为合理的抗震安全度和经济效果; 能够对已有的重要建筑物做出正确的抗震能力效评,从而从理论上指 导现有结构的抗震加固工作; 可以用空间的弹塑性时程分析作为平面的弹塑性时程分析以及弹性时 程分析等各种简化计算方法的比较标准。
g jS 1 g j
4 f j 1 3 g i S D 4 g j 1 3 f i S D
4 g i 1 3 g j S D
4 pi p j pi p j 3 其中, 当i、j端屈服时, p j f j ;当i、j端极限时, pi gi , p j g j
结构抗震分析与设计
主讲:李彬
1
主要内容
1 弹塑性时程分析法概述 2 结构的振动计算模型 3 结构的弹塑性本构模型 4 结构振动模型的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵
5 对选用地震波的要求
6 结构动力平衡方程的求解方法
1 弹塑性时程分析法概述
时程分析法:从建筑结构的基本运动方程出发,直接输入
2 结构的振动计算模型
状态 两端弹性 i端屈服,j端弹性 i端弹性,j端屈服 两端屈服 i端极限,j端弹性 i端弹性,j端极限 i端极限,j端屈服 i端屈服,j端极限 两端极限

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。

结构弹塑性分析及薄弱层弹塑性变形验算

结构弹塑性分析及薄弱层弹塑性变形验算

6 进行动力弹塑性计算时,地面运动加速度时程的选取、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本规程第4.3.5条的规定;7 应对计算结果的合理性进行分析和判断。

5.5.2 在预估的罕遇地震作用下,高层建筑结构薄弱层(部位)弹塑性变形计算可采用下列方法:1 不超过12层且层侧向刚度无突变的框架结构可采用本规程第5.5.3条规定的简化计算法;2 除第1款以外的建筑结构可采用弹塑性静力或动力分析方法。

5.5.3 结构薄弱层(部位)的弹塑性层间位移的简化计算,宜符合下列规定:1 结构薄弱层(部位)的位置可按下列情况确定:1)楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构,可取底层;2)楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构,可取该系数最小的楼层(部位)和相对较小的楼层,一般不超过2~3处。

2 弹塑性层间位移可按下列公式计算:条文说明5.5 结构弹塑性分析及薄弱层弹塑性变形验算5.5.1 本条为新增条文。

对重要的建筑结构、超高层建筑结构、复杂高层建筑结构进行弹塑性计算分析,可以分析结构的薄弱部位、验证结构的抗震性能,是目前应用越来越多的一种方法。

在进行结构弹塑性计算分析时,应根据工程的重要性、破坏后的危害性及修复的难易程度,设定结构的抗震性能目标,这部分内容可按本规程第3.11节的有关规定执行。

建立结构弹塑性计算模型时,可根据结构构件的性能和分析精度要求,采用恰当的分析模型。

如梁、柱、斜撑可采用一维单元;墙、板可采用二维或三维单元。

结构的几何尺寸、钢筋、型钢、钢构件等应按实际设计情况采用,不应简单采用弹性计算软件的分析结果。

结构材料(钢筋、型钢、混凝土等)的性能指标(如弹性模量、强度取值等)以及本构关系,与预定的结构或结构构件的抗震性能目标有密切关系,应根据实际情况合理选用。

如材料强度可分别取用设计值、标准值、抗拉极限值或实测值、实测平均值等,与结构抗震性能目标有关。

结构材料的本构关系直接影响弹塑性分析结果,选择时应特别注意;钢筋和混凝土的本构关系,在现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的附录中有相应规定,可参考使用。

浅谈弹塑性动力时程分析方法

浅谈弹塑性动力时程分析方法

浅谈弹塑性动力时程分析方法对于结构地震响应分析方法,发展到目前为止,可以归纳为以下三个发展阶段:静力法、拟静力法(即反应谱法)、动力法(主要为时程分析法)。

在结构进入弹塑性阶段后,结构的一些构件进入屈服状态、结构刚度发生变化、产生塑性区域。

而弹性静力法忽略了结构的动力特性和结构的非刚性等重要特性,此时已经不再适用,因此使用弹性静力法已经不能满足现代建筑结构的设计要求。

反应谱法能考虑结构的动力特性及其与地震作用之间的相互关系,但它不能给出结构地震反应的全过程,更无法给出各构件进入弹塑性变形阶段的内力和变形状态。

为了研究和计算高层建筑结构的弹塑性变形,有必要进行结构的弹塑性分析。

目前,结构的弹塑性分析主要分为弹塑性动力分析和弹塑性静力分析两大类[1] [2]。

1 现有弹塑性分析方法综述1.1 静力弹塑性分析方法静力弹塑性分析方法,即我们常说的Push-over法,主要用于进行变形验算,尤其是在大震下的抗倒塌验算。

它是结构地震相应分析的简化方法[3] [4] [5]。

Push-over法基本步骤大致如下[1]:(1)建立结构的计算模型、确定构件的相关参数以及要采用的恢复力模型。

(2)求出作用在结构上的竖向荷载并求出结构在竖向荷载作用下的内力,以便和水平荷载作用下的内力进行组合。

(3)根据结构的具体情况,确定对结构施加的水平荷载分布形式:倒三角或与第一振型等小的水平荷载模式。

水平荷载施加于各楼层的质心处,逐渐单调增加侧向力,以产生的那里跟善意不计算所得的内力叠加后,刚好使一个或者一批构件开列进入屈服状态为宜。

(4)对于上一步进入屈服的构件进行修改,形成一个“新”的结构,修改结构的刚度矩阵并求出“新”结构的自振周期,不断重复第3步直到结构的侧向位移达到预定的目标位移、或是结构变成为机构为止。

记录每一步的结构自振周期并累计每一步施加的荷载。

(5)将每一个不同的结构自振周期及其对应的水平力总量与结构自重(重力荷載代表值)的比值(地震影响系数)绘成曲线,也把相应场地的各条反应谱曲线绘在一起,以此来评估结构的抗震性能。

某超高建筑结构的弹塑性动力时程反应分析

某超高建筑结构的弹塑性动力时程反应分析

3 分 析 方 法
弹塑 性 时程反 应分 析是 对结 构物 在 实 际地震 波 的激励 下进 行数 值求 解 ,能对 复杂 结构 的地震 反应 效应 做 出直接 的判 断 。本次 弹塑 性地 震 时程 反应 分析 就采 用 了 AB A Q U S软件 。
3 . 1 非线 性地震 反 应分 析模 型
示。
系属型钢混凝土框架一 钢筋混凝土核心筒一 伸臂 结构。 通过三道钢桁架伸臂 , 使周边框架柱有效发 挥作用 , 增强整个结构的抗侧力刚度 。 ( 2 )主 楼 框架 柱 采 用 钢 管 混 凝 土 叠 合 柱 , 增 强对核心区混凝土的约束作用 ,有效减小框架柱 轴压比, 轴 压 比控 制在 0 . 5以下 , 提 高 框架 柱 的延
强层 上下 2层 楼板做 特 殊考 虑外 ,均 采用 刚性 楼 板 假定 进行 楼板 作用 的模 拟 。弹 塑性 动力 时程 分 析 中的配筋 数 据取 自S A T WE计 算 结果 ,因此 , 计 算 模 型 中的配 筋参 数可 以说 与实 际初 设 配筋 是接
近 的。
采 用本 结构 抗震 超 限审查 专家 组在 初审 中建 议 的
2 0 1 4年 4月
1 5 2
安 沁丽 , 等
某超 高建 筑结 构 的弹 塑性 动力 时程反 应 分析
F e b . , 2 0 1 4
部, 计算结构模型顶部取至大屋面层。 计算模型中 所包含 的地下室部分 ,仅为主体结构投影以内的 地下室部分 , 因此 , 计算结果是偏于保守的。除加
纂 超 高 建筑 结 构 的 弹 塑 性 动力 日程 反 应 分 析
安沁丽 , 陈军科
( 1 . 江苏建筑职业技术学院, 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ; 2 . 徐 州 中国矿 业大 学建筑设计咨询有限公 司, 江苏 徐州 2 2 1 l 1 6 )

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。

动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用

动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用

动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用动力弹塑性分析方法是一种结合动力性能和塑性变形的数学模型,用于分析和设计结构的动态响应和塑性变形。

该方法主要应用于工程结构领域,包括桥梁、建筑、机械设备等各种工程结构的设计和分析。

本文将从动力弹塑性分析方法的原理和基本步骤入手,介绍其在结构设计中的应用,并探讨其优势和局限性。

一、动力弹塑性分析方法的原理和基本步骤动力弹塑性分析方法是一种将结构的动态性能和材料的塑性变形结合起来考虑的分析方法。

其基本原理是通过数值模拟结构在受到动载荷作用时的动态响应以及材料在超过弹性极限时的塑性变形,来评估和优化结构的设计方案。

其基本步骤包括:1.定义结构模型:根据结构的几何形状和材料特性,建立结构的有限元模型。

结构模型包括节点、单元以及节点之间的连结。

2.确定边界条件和加载:定义结构的边界条件和受力方式。

这些边界条件包括支座约束、节点受力和动载荷。

3.弹性分析:首先进行结构的弹性分析,根据结构受力状态计算结构的弹性应力和变形。

4.材料塑性模型:根据结构中所使用的材料的塑性特性,选择合适的材料模型进行塑性分析。

5.塑性分析:在动力载荷作用下,根据所选取的塑性模型,通过数值分析计算结构的塑性应力和塑性变形。

6.动力分析:将弹性应力和塑性应力加在一起,进行动力分析,计算结构在受到动载荷作用时的动态响应。

7.结果评估:根据分析结果,评估结构的动态性能和塑性变形情况,为结构的优化设计提供依据。

1.预测结构的动态响应:动力弹塑性分析方法可以模拟结构在受到动力荷载作用时的响应,包括振动频率、模态形态和响应结果等。

通过分析结构的动态响应,可以得到结构的动态性能和破坏机理,为结构的抗震、抗风等设计提供依据。

2.评估结构的塑性变形:动力弹塑性分析方法可以计算结构在超过材料弹性极限时的塑性变形。

对于一些需要考虑塑性变形的结构,如刚性桥梁和土木工程结构,通过分析结构的塑性变形情况,可以评估结构的安全性和耐久性。

动力时程分析和静力弹塑性分析方法的相同于不同点

动力时程分析和静力弹塑性分析方法的相同于不同点

时程分析法又称直接动力法,在数学上又称步步积分法。

顾名思义,是由初始状态开始一步一步积分直到地震作用终了,求出结构在地震作用下从静止到振动以至到达最终状态的全过程。

它与底部剪力法和振型分解反应谱法的最大差别是能计算结构和结构构件在每个时刻的地震反应(内力和变形)。

当用此法进行计算时,系将地震波作为输入。

一般而言地震波的峰值应反映建筑物所在地区的烈度,而其频谱组成反映场地的卓越周期和动力特性。

当地震波的作用较为强烈以至结构某些部位强度达到屈服进入塑性时,时程分析法通过构件刚度的变化可求出弹塑性阶段的结构内力与变形。

这时结构薄弱层间位移可能达到最大值,从而造成结构的破坏,直至倒塌。

作为高层建筑和重要结构抗震设计的一种补充计算,采用时程分析法的主要目的在于检验规范反应谱法的计算结果、弥补反应谱法的不足和进行反应谱法无法做到的结构非弹性地震反应分析。

时程分析法的主要功能有:1)校正由于采用反应谱法振型分解和组合求解结构内力和位移时的误差。

特别是对于周期长达几秒以上的高层建筑,由于设计反应谱在长周期段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响估计不足产生的误差。

2)可以计算结构在非弹性阶段的地震反应,对结构进行大震作用下的变形验算,从而确定结构的薄弱层和薄弱部位,以便采取适当的构造措施。

3)可以计算结构和各结构构件在地展作用下每个时刻的地震反应(内力和变形),提供按内力包络值配筋和按地震作用过程每个时刻的内力配筋最大值进行配筋这两种方式。

总的来说,时程分析法具有许多优点,它的计算结果能更真实地反映结构的地震反应,从而能更精确细致地暴露结构的薄弱部位。

时程分析法有关的几个问题:1、恢复力特性曲线;恢复力特性曲线应用于计算必须模型化,常用的有双线型模型与退化三线型模型;退化三线型模型(附图)能较好地反映以弯曲破坏为主的钢筋混凝土构件的的特性,所以适用于此类构件计算。

2、结构计算模型及分析方法;3、地震波的选用;4、时程分析计算结果的处理。

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

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。

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结构动力弹塑性分析方法1.动力理论动力理论是直接通过动力方程求解地震反应。

由于地震波为复杂的随机振动,对于多自由度体系振动不可能直接得出解析解,只可采用逐步积分法.通过直接动力分析可得到结构响应随时间的变化关系,因而该方法又称为时程分析法。

时程分析法能更真实地反映结构地震响应随时间变化的全过程,并可以得到强震下结构的弹塑性变形,因此己成为抗震分析的一种重要方法。

多自由度体系地震反应方程为:[][][][])}({)}({)}({)}({t xM t x K t x C t x M g -=++ (1.1) 在弹塑性反应中刚度矩阵与阻尼矩阵亦随时间变化,因此不可能求出解析解,只能采取数值分析方法求解。

把整个地震反应的过程分为短而相等的时间增量缸,并假定在每一个时间区间上体系的各物理参数均为常数,它们均按区间起点的值来确定,这样就可以把非线性体系的分析近似按照一系列连续变化的线性体系来分析。

方程(1.2)适用于结构的任何时刻,则对于结构t t ∆+时刻的地震反应方程可以表示为:[][][][])}({)}({)}({)}({t t xM t t x K t t x C t t x M g ∆+-=∆++∆++∆+ (1.2) 令:)}({)}({}{t xt t x x -∆+=∆ (1.3) )}({)}({}{t x t t x x-∆+=∆ (1.4) )}({)}({}{t x t t x x -∆+=∆ (1.5))}({)}({}{t xt t x x g g g -∆+=∆ (1.6) 择将式(1.3)与式(1.2)相减得到结构的增量平衡方程:[][][][]}{}{}{}{g xM x K x C x M ∆-=∆+∆+∆ (1.7) 2.方法介绍时程分析法的基本过程是将地震波按时段进行数值化后,输入结构体系的微分方程中,采用逐步积分法对结构进行弹性或弹塑性地震反应分析,得 到结构在整个时域中的振动状态全过程,并描述各个时刻结构构件的内力和变形。

在弹塑性时程分析中,还给出各构件出现塑性铰的先后顺序。

因此,时程分析法 能从强度和变形两方面对结构在地震下的反应进行比较全面的描述。

通过多年的 发展,时程分析法在结构分析模型,单元计算模型,材料本构关系,阻尼模型及 数值计算方法等方面取得了很大的进展。

3.结构分析模型3.1层间模型使用范围:由于该模型假定梁的刚度为无限大,因而用它计算强柱弱梁型的结构过于粗糙,而只能适合强梁弱柱型的有规律的结构。

优点:剪切模型是层间模型中较简单的一种,是将每层各部分的质量集中在一起,假定楼板平面内刚度无限大,从而使结构的自由度数量大为减少,计算时的工作量也较小。

应用这种计算模型的关键是弹塑性层间模型的刚度确定。

缺点:显然对于弯曲成分较大的高层和超高层结构,这种模型并不适合。

层间模型的另外一种是弯剪模型,它的提出土要是针对剪力墙结构体系而言的。

用层间模型进行弹塑性反应分析,计算效率较高,但不可避免地有模型总体过于粗糙的缺点。

3.2平面杆系模型适用范围:各榀联系不紧密的标准框架优点:该计算模型是由可带刚域的杆件组成的平面框架结构,它克服了层问剪切模型的诸多弊端,杆件可同时考虑轴向、弯曲和剪切变形,杆件恢复力特征曲线有弯曲屈服型和压弯屈服型。

采用该分析模型可求得各杆件在地震作用下的内力及变形全过程,判断每根杆件的开裂与屈服与否,及各杆件屈服的先后顺序,从而了解整个结构的破坏形态。

缺点:由于该分析模型无法考虑各平面杆系问的空间协同作用,对于复杂结构及扭转明显的结构,该分析模型不能适用。

3.3空间协同模型使用范围:在工程实践中应用较广。

优点:空间协同模型是在平面杆系模型的基础上,通过设置楼面刚性及分块刚性的方式,考虑各榀抗侧力结构之间的空间协同作用,该分析模型计算精度较好,能满足工程使用要求,同时比空间三维模型,计算工作量大为减少。

3.4空间三维模型适用范围:在科学研究及工程中应用较多。

优点:空间三维分析模型,对每个杆件均同时考虑轴向、弯曲和剪切变形,每个节点具六个自由度,可以全面的考虑各杆件逐个进入弹塑性阶段的过程及其对整个结构的影响,计算精度最高,缺点:该模型显著的缺陷就是结构分析的自由度很多,计算相当耗时,但随着计算机技术的提高及计算方法的发展,该分析模型正越来越受到科学研究者重视。

4.单元模型构件单元模型的建立主要有两个发展方向:一种是通过理论分析和试验研究,对计算或试验得到的构件力-位移关系曲线,为便于计算进行骨架曲线及滞回曲线的数学模型化。

对于框架梁柱单元,常用的有简化刚度法的双分量模型(如图4.1),它是由clough等人于1965年最先提出,该单元用两根平行杆模拟构件,一根表示屈服特性的弹塑性杆,一根表示硬化特性的完全弹性杆,非弹性变形集中在杆端的集中塑性铰处;实际刚度法的分段变刚度模型(如图4.2),这种模型能更合理地模拟钢筋混凝土构件的非线性状态。

对墙单元,研究人员根据分析对象不同,提出了微观模型及宏观模型,微观模型由于太精细,通常只用于小型结构的研究工作。

宏观模型建立在试验研究和一些理论假设的基础上,存在一定局限性,但模型简单,力学概念直观,在宏观上能较好反应剪力墙构件的非线性性能,应用较为广泛。

目前国内外研究和应用较多的有以下这些模型:等效梁模型、等效支撑模型、二维墙板单元模型、三垂直杆型元模型(如图4.3)、多垂直杆元模型(如图4.4)、空间薄壁杆件模型和三维壳元模型,其中空间薄壁杆件模型和三维壳元模型目前仅限于弹性分析。

以上不同单元计算模型,针对不同结构,均取得了较好的结果。

但在对构件的力-位移关系曲线进行人为模型化的过程中,也隐含了模型化过程中的误差。

图4.1 双分量杆单元模型图4.2 三分段变刚度杆单元模型图4.3 墙构件的三垂直杆元模型图4.4 墙构件的多垂直杆元模型另一种方法是直接采用材料的本构关系和截面的几何性质,建立单元的计算模型,如Kang.Ning Li及shunsuke Otani等提出的Fiber模型。

Fiber模型的基本原理是:通过把构件纵向分为多个微段,在每个微段的中点,把横断面双向划分为平面网格,每一网格的中心为数值积分点,微段纵向即定义为Fiber(纤维);直接利用材料本构关系,通过计算每个纤维的内力,并在断面内进行数值积分,即可求解每个微段的内力变化过程。

很显然,只要纤维分得足够细,材料本构关系正确,计算精度就可满足相应的要求。

这种分析方法的优点是避免了单元模型化过程中引入的误差,计算精度较高,缺陷是计算工作作量较大。

但随着计算机技术的不断发展及计算效率的提高,Fiber模型正日益被推广使用。

5.材料本构关系的选取钢筋及混凝土材料的本构关系是结构非线性分析的基础,也是难点所在。

国内外在这方面做的研究较早,也非常深入。

如Park 等对混凝土材料在单轴及多轴受力状态下的应力应变关系进行了较广泛的研究,并取得了一定的成果。

但由于材料在二维及二维受力情况下的复杂性,难以为一般工程师所掌握和应用,人们对实际结构进行分析时多采用的还是单轴受力状态下的应力应变骨架曲线及滞回曲线。

6.地震波的选取地震波选择的原则应使输入的地震波特性和建筑场地的条件相符合。

主要参数有:地震烈度、地震强度参数、场地土类别、卓越周期和反应谱等。

选择地震波时应选其主要周期与建筑场地卓越周期相接近的地震波,此外还要满足地震的三要素要求:即频谱特性(可用地震影响系数曲线表征,依据所处的建筑场地类别和设计地震分组确定)、幅值(一般按规范所列地震加速度最大值采用)和地震加速度时程曲线持续时间(一般为结构基本周期的5~10倍),这三者均要符合规定。

有关研究结果表明,由于输入地震波不同,所得出的地震反应相差甚远,有的计算出的弹塑性位移和内力相差几倍、甚至几十倍。

因此,考虑未来振动的随机性及不同地震波计算结果的差异性,合理选择地震波来进行直接动力分析是保证计算结果可靠性的重要问题。

在抗震分析中以地震动过程中加速度最大值(峰值)的大小作为强度标准。

现有的实际强震记录,其峰值加速度多半与要设计结构物所在场地的基本烈度不相对应,因而不能直接使用,需要按照结构物的设防烈度对波的强度进行调整。

对选用的地震记录加速度峰值按适当的比例放大或缩小,使峰值加速度相当于设防烈度相应的多遇地震与罕遇地震时的加速度峰值。

在强震发生时,一般地面运动的卓越周期将与场地土的自振周期接近。

因而在选用地震波时,应使所选用的实际地震波的功率谱的卓越周期乃至谱形状尽量与场地土的谱特征一致。

当所选用的地震波的卓越周期和震中距与建筑场地相差不大时,就保证了合理的抗震设计。

7.阻尼模型阻尼是用以描述结构在振动过程中某种能量的耗散方式,是结构的动力特性,是影响结构动力反应的重要因素之一。

完全无阻尼的结构在现实中是不存在的。

结构振动时,由于结构材料的内摩擦、材料的滞回效应等机制导致能量消耗,使结构振动幅值逐渐减少,最后直至完全静止。

结构的耗能机制非常复杂,一般认为与裂缝或其他材料缺陷的摩擦一滑移机制有关。

因此,可能反映这种耗能机制的方法应该是直接在材料层次上考虑,即本构关系能够直接描述诸如塑性变形耗能以及重复荷载作用下的滞回效应。

然而,即使是在荷载水平较低而混凝土材料及钢筋材料仍处于弹性状态时,结构在动力荷载作用下的反应也会逐渐衰减,单纯依靠材料本构模型显然无法考虑这一点。

因此,仍然需要用显式表达的阻尼力来统一考虑耗能机制。

在弹性动力分析当中,粘滞阻尼是结构耗能的唯一因素,因此粘滞阻尼系数的确定很重要。

但是结构在非线性工作阶段的耗能主要是构件的非线性力.变形滞回特性引起的,粘滞耗能占总能量很少的一部分,近似选用粘滞阻尼将不会显著影响分析结构的准确性。

黄宗明等研究表明:在结构弹塑性分析当中,当采用的滞回恢复力模型符合实际情况时,阻尼比可以取为弹性动力分析一样的常数值。

目前结构弹性动力分析中常用的阻尼有模态阻尼和瑞利阻尼。

7.1模态阻尼模态阻尼矩阵可以表示如下:[]∑===Nn n n T n Tn n n g M M M T C 1}]{[}{})]{})([]{([4φφφφξπ (7.1) 式中:N 为振型数;g T 为模态周期;n ξ为模态阻尼率;[M]为质量矩阵;}{n φ为振型7.2瑞利阻尼瑞利阻尼矩阵可以表示如下:][][][10K a M a C += (7.2) ))((4222122110T T T T a --=ξξπ (7.3) )(/)(22212211211T T T T T T a --=πξξ (7.4)式中: 1T ﹑2T 为结构两个主振型的第一、第二自振周期;[M]为质量矩阵;[K]为动力刚度矩阵;1ξ﹑2ξ为对应于第一、第二自振周期的阻尼比采用瑞利阻尼的主要缺点是,对于没有规定阻尼的振型,等效阻尼随频率增大而增加,于是结构高阶振型具有高阻尼,实际上就把他们从结构响应中消除了,因此要适当选择主振型才能正确反映结构的阻尼特性。

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