钢筋混凝土结构非线性动力反应分析

1 问题描述 (1)

2 模型建立 (2)

2.1 轴网布置 (2)

2.2 材料定义 (2)

2.3 截面定义 (3)

2.4 楼板定义 (8)

2.5 构件布置............................................................... 错误！未定义书签。

2.6 构件剖分 (10)

2.7 节点束缚指定 (11)

2.8 先单元插入点指定 (11)

2.9 刚域指定 (12)

2.10 整体模型 (12)

2.11 荷载模式定义 (13)

2.12 质量源定义 (14)

2.13 荷载定义 (14)

2.14 荷载工况定义 (15)

2.14.1 模态分析工况 (15)

2.14.1 反应谱工况 (16)

2.14.3 COMBINE工况(计算柱轴力) (17)

2.14.3 时程反应分析工况 (18)

2.15 定义组 (21)

3 振型分解反应谱法结果 (22)

3.1 楼层剪力及水平地震作用 (22)

3.2 内力图 (23)

3.2.1 弯矩图 (23)

3.2.2 剪力图 (24)

3.2.3 轴力图 (25)

4 塑性铰的计算与定义 (26)

4.1 梁铰柱铰的计算 (26)

4.1.1 梁铰的计算 (26)

4.1.2 柱铰的计算 (29)

4.2 铰属性设置 (31)

4.2.1 梁铰属性设置 (31)

4.2.2 柱铰的设置 (32)

4.3 梁柱铰的指定 (35)

5 时程反应分析结果 (36)

5.1 层位移 (36)

5.2 层间位移 (38)

5.3 层间位移角 (38)

5.4 层剪力 (39)

5.5 出铰情况及破坏机制 (40)

1 问题描述

已知结构为一栋四层框架结构。结构布置如图1-1所示，构件尺寸及配筋情况如图1-2。混凝土强度等级为：1～5层采用C40；6、7层采用C30，恒载按实际梁、板、柱实际重量计算，不考虑装饰荷载，活荷载按2KN/m2考虑，不考虑风荷载。对N23波（峰值加速度350.13cm/s2）进行调整，满足八度（0.2g）地震的加速度幅值。计算下列问题：

1）采用振型分解法，计算该结构在小震时的地震作用，并画出地震内力图2）结构在罕遇地震作用下的时程反应性能（包括层位移、层间位移、层间位移角、层剪力、基底剪力及结构的出铰情况和破坏机制）。

图1-1

图1-2 梁柱配筋图

2 模型建立

2.1 轴网布置

根据题目要求的轴网尺寸、结构布置等结构信息，在sap2000的编辑轴网对话框中依次输入数据，建立结构的几何模型。

建模过程中，采用的统一单位制为(N，mm，C)，建模过程如下所示：

图2.1.1轴网的编辑

2.2 材料定义

依题目要求，采用快速定义材料，定义混凝土材料与钢筋材料：

混凝土：1-3层采用C40，4层采用C30；

钢筋：HPB300，HRB335两种钢筋。

具体定义过程以C40和HRB335为例：

图2.2.1定义材料

图2.2.2材料属性

2.3 截面定义

这里的截面包括不同尺寸，不同配筋，不同混凝土强度，不同位置的各种截面。根据1、2、4层与3层的混凝土强度等级不同，边梁和主梁的楼板加强作用不同，主梁和次梁的截面尺寸不同，故定义10种梁截面形式，8种柱截面形式，具体如下：

“2FLG1”（二层主梁，C40混凝土，截面300mmx600mm）；

“2,4FLG2”（二层、四层边次梁，C40混凝土，截面300mmx300mm）；“2,4FLG3”（二层、四层中次梁，C40混凝土，截面300mmx400mm）；“3FLG1”（三层主梁，C30混凝土，截面300mmx600mm）；

“3FLG2”（三层边次梁，C30混凝土，截面300mmx300mm）；

“3FLG3”（三层中次梁，C30混凝土，截面300mmx400mm）；

“4，RFLG1”（顶层主梁，C40混凝土，截面300mmx600mm）；“RFLG2”（顶层边次梁，C40混凝土，截面300mmx300mm）；“RFLG3”（顶层中次梁，C40混凝土，截面300mmx400mm）；

“1FLC1”（一层边柱，C40混凝土，截面500mmx500mm）；

“1FLC2”（一层中柱，C40混凝土，截面500mmx500mm）；

“2FLC1”（二层边柱，C40混凝土，截面500mmx500mm）；

“2FLC2”（二层中柱，C40混凝土，截面500mmx500mm）；

“3FLC1”（三层边柱，C40混凝土，截面500mmx500mm）；

“3FLC2”（三层中柱，C40混凝土，截面500mmx500mm）；

“4FLC1”（四层边柱，C40混凝土，截面500mmx500mm）；

“4FLC2”（四层中柱，C40混凝土，截面500mmx500mm）；

图2.3.1框架截面定义

“1FLC1”为例，说明柱截面的定义过程，如下：

2.3.2框架柱截面定义

图2.3.3框架柱截面布筋

以“2FLG1”为例，说明梁截面的定义过程，如下：

图

2.3.4框架梁截面定义

图2.3.5框架柱截面布筋

图2.3.6框架梁截面惯性矩放大系数

2.4 楼板定义

由于楼板的跨度相对比较大，板厚为130mm，剪切作用不是很明显，这里选用薄壳模型。由于结构的1,2,4和3层所使用的混凝土标号不同，这里需要定义两种板截面形式：

“S1，2,4”（一，二，四层楼板，C40混凝土，130mm厚）

“S3”（三层楼板，C30混凝土，130mm厚）

图2.4.1面截面定义

下面3层的楼板定义为例：

图2.4.2壳截面定义

图2.4.3混凝土壳参数定义

2.5构件剖分

将梁柱构件以及板布置到结构的对应位置上，如下图：

为计算精度的要求，这里需要对单元进行剖分。对于框架线单元，这里选择自动剖分框架单元。对于楼板，划分为1*2个单元。如下图：

图2.5.1指定自动框架剖分

图2.5.2指定自动面剖分

剖分只是利用原来的面，但是计算精度更高。若不进行剖分，则会出现楼板与主梁跨中变形不协调的情况。一般一个面至少要剖分为四个单元以上结果才会比较精确，综合考虑计算时间随剖分数量成倍增长以及本框架结构的布局和楼板

大小，采取按数目剖分为2个面。

2.6 节点束缚指定

对建筑结构使用刚性隔板，避免了由于较大平面的楼板用膜单元模拟（楼板的刚度模拟为膜的刚度）所产生的数值准确性问题。这在建筑的侧向（水平）动力分析中是十分有用的，因为其可以显著减少所求解特征值问题的计算时间。选中Z轴即表示按此束缚轴束缚节点隔板的运动，从而实现了刚性楼板的假定。依此指定不同楼层的节点束缚。

图2.6.1指定节点束缚

2.7 先单元插入点指定

对已有模型构件指定插入点，实现了

构件的偏心，构件的几何位置并不改变，

模型中的节点位置并没有改变，而力的传

递作用位置发生了变化。SAP2000中默认

的插入点的偏移值为零，而且结构的方位

基准点在楼层高程处，故为了保证梁的表

面与楼层高程平齐，框架梁的控制点要改

为8 Top Center。

2.8 刚域指定

刚域系数表示指定了端部偏移的刚

域部分，在弯曲和剪切变形时刚域程度。

在刚域系数一栏可输入0到1之间的一个

系数，表示刚域的刚性程度从完全柔性到

完全刚性。完全柔性表示刚域的弯曲和剪

切刚度由线性单元的实际刚度确定；完全

刚性即刚域内部没有弯曲和剪切变形。这

里取为0.5。

2.9 整体模型

将视图切换到x-y平面视图，z=0.0；选择所有节点，第一层柱的下端节点指定为固端。

图2.9.1节点约束

图2.9.2整体模型

2.10 荷载模式定义

这里定义两种荷载模式DEAD、LIVE以及屋面活荷载ROOF LIVE。这里定义一个屋面活荷载其目的再于后续的质量源组合中不能组合屋面活荷载。自重系数表示软件将自动计算结构中所有构件的的自重，将自重乘以这个自重系数施加在结构上。只需要定义一个为1的自重系数，即可以考虑结构的全部自重，否则会造成重复考虑结构自重的错误。

图2.10.1定义荷载模式

2.11 质量源定义

为了满足抗震规范重力荷载代表值的相关要求，这里选用“来自荷载“这一项。按抗震规范的5.1.3条规定，自重，附加恒载的系数为1.0，活荷载的系数取为0.5。

图2.11.1定义质量源

2.12 荷载定义

将非结构荷载转化为各个楼层的均布面荷载，以屋顶为例，楼层上的面荷载指定后如下：

图2.12.1定义楼面荷载（6.75kN/m)

2.13 荷载工况定义

2.1

3.1 模态分析工况

计算结构振动的模态，从而获得各个振型的周期。

图2.13.1模态分析工况定义

2.1

3.2 反应谱工况

通过定义反应谱函数定义振型分解反应谱所需的函数，然后通过荷载工况定义反应谱工况，定义时注意比例系数取9.8；所施加的反应谱为根据中国规范要求的场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，特征周期为0.4s，水平地震影响系数最大值为0.16（八度的多遇地震）。

图2.13.2反应谱曲线

图2.13.3反应谱工况定义

2.1

3.3 COMBINE工况(计算柱轴力)

根据抗规要求，结构等效总重力荷载代表值，多自由度体系取总重力荷载代表值的85%，按照等效重力荷载下的设计值计算柱轴力是的荷载或者比例系数为：活载

=

+

.0+

S。

85

=

?

5.0

活载）

恒载

2.1(

恒载595

.0

02

.1

图2.13.4COMBINE工况定义

2.1

3.3 时程反应分析工况

（1）定义时程反应分析函数