隔震结构弹塑性分析方法

隔震结构地震反应弹塑性分析方法
隔震结构是在建筑物的基础和上部结构之间设置一种可以产生相对滑移的滑板，也就是层可靠性很高的隔离层。

隔震结构的隔震原理：由于隔震层水平刚度较小，能延长了结构自振周期，避免了地震动的卓越周期，使结构的加速度反应减低而结构的位移反应增大。

对滑板之间的滑移摩擦力进行控制控制阻尼，由于隔震层具有较大的阻尼从而使结构的加速度反应和位移反应也有所减小。

结构地震反应是现代减震和隔震设计理论的核心内容，是验证结构减震和隔震性能的关键步骤。

根据计算分析理论的不同,地震反应弹塑性分析方法可分为FNA法、反应谱分析法、pushover分析法和动力反应法。

快速非线性分析(FNA)方法是一种非线性分析的有效方法，在这个方法中，非线性被作为外部荷载来处理，形成考虑非线性荷载并修正的模态方程。

该模态方程与结构线性模态方程相似，因此可以对模态方程进行类似于线性振型的分解求解，然后基于泰勒级数对解的近似表示，使用精确分段多项式积分对模态方程迭代求解。

最后基于前面分析所得到的非线性单元的变形和速度历史计算非线性力向量，并形成模态力向量，形成下一步迭代新的模态方程求解。

FNA方法适用于非线性结构动力分析求解，同时也可以对静力荷载分析工况进行求解。

反应谱法是一种拟动力方法，也是一种统计方法。

反应谱法考虑地面运动的强弱、场地土的性质以及结构的动力特性对地震的影响，因此可近似反应地震对结构的作用。

另外由于反应谱法与传统设计方法比较接近,因此得到了广泛的应用。

各国规范都给出了设计反应谱曲线。

反应谱法首先用动力方法计算质点体系地震反应去建立反应谱，再用加速度反应谱计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载，然后按照静力方法进行结构的计算和设计。

加速度反应谱是通过对一系列具有不同自振特性的单自由度体系输入地震动数据，记录每个单自由度体系的加速度最大反应，以结构的自振周期为横坐标对应的加速度反应为纵坐标绘出。

非线性静力分析法又称pushover分析法又称倾覆分析，指的是结构分析模型在一个结构高度为某种规定分布形式且逐渐增加的侧向力或侧向位移作用下，直至结构控制点达到目标位移的过程。

它的最大特征是结构的侧向位移是单调递增的，也就是结构在逐步递增的侧向荷载作用下产生一阶模态的响应，并得到塑性发展的过程。

Pushover分析得到的荷载位移曲线表征的是力与侧向位移的关系如图1.
图1：塑性铰的力-位移曲线
塑性铰的力-位移曲线：此曲线是用pushover分析的，a总是原点，b代表屈服。

C代表pushover分析的极限承载力，d代表pushover分析的残余强度，e为完全失效。

在上升到点b,铰内没有变形，超过点b的塑性变形将被点b显现。

Io（立即使用）ls(生命安全）cp(防止倒塌）。

在到达点b前，所有变形都是线性的并在框架单元内发生。

超过点b的塑性变形发生在铰内，而且在单元内可以产生任意的弹性变形。

由于Pushover分析是从单自由度结构体系发展过来的，本质上只考虑了结构第一振型的动力特征，这一方法适用了规则框架结构。

但是对于高阶振型且比较敏感的结构或平面布置比较复杂而产生较大偶然偏心的结构是，采用静力pushover分析的结构就不一定合适了。

因此规范规定“需要根据结构特点”来选择结构弹塑性分析方式，如果结构本身的薄弱部位不会再第一振型中反应出来或者结构具有较大的扭转效应而没有在pushover分析中得到反应，这时静力pushover分析所提供的罕遇地震弹塑性结构的可信度就会大大降低。

时程分析法[9]在数学上称步步积分法，抗震设计中也称为“动态设计”。

由结构的基本运动方程输入地震加速度进行积分求解以求得整个时间历程的地震反应（楼层位移、速度、加速度等）的方法。

此法输入与结构所在场地相应的地震波作为地震作用，从初始状态开始，一步一步的积分直至地震作用终了。

弹塑性时程分析的意义：动力时程分析在sap2000中是一个全三维有限元分析，如果在时程分析中考虑框架单元的材料非线性（塑性铰），非线性时程分析就可以给出结构在罕遇地震作用下构件屈服顺序，计算结构在整个地震作用过程中每一时刻的内力和变形状态值。

发现应力和塑性变形的部位，给出整个结构的屈服机制，对结构概念设计提供相应的调整意见。

因此时程动力分析占用的计算资源比较大，因此建议工程师对于经判断可能成为薄弱部位的单元指定塑性铰，而不要对于大多甚至全部构件指定塑性铰。

无论是pushover分析还是时程分析，塑性铰都经历了刚性段，这是相同的。

不同之处是在推覆分析中铰的位移是单调递增的，并且从刚性段顺序发展到加强段和卸载段。

而相同
的塑性铰，在动力弹塑性分析过程中，铰的变形不是单调递增的而是在发展到塑性加强段后发生了滞回，并且卸载过程是刚性的，经过几次加载卸载后才发生了完全卸载。

也就是成为最终的近似铰接的行为。

塑性铰是刚塑性的，塑性铰在屈服之前无论是卸载状态还是重新加载状态内部都不会发生任何变形（体现在塑性铰发展曲线上，是沿着铰发展曲线与y轴线重合部分变化，所有的弹性变形均发生在框架单元内，当塑性铰屈服以后，塑性铰内部将发生塑性变形，并且在卸载时平行于y轴的直线卸载。

塑性铰经过与y轴重合的刚性段进入塑性加强段，此后迅速发生作用反转而卸载，并反向加载。