搜索三維鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析
2017-03-17 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1靜力彈塑性分析
靜力彈塑性分析又稱為Pushover分析,是基于性能的抗震設(shè)計(jì)中最具代表性的分析方法。所謂基于性能的抗震設(shè)計(jì)是以某種目標(biāo)性能為設(shè)計(jì)控制目標(biāo),而不是單純的滿足規(guī)范要求的承載能力的設(shè)計(jì)方法。其步驟是先按照規(guī)范要求進(jìn)行抗震分析和構(gòu)件設(shè)計(jì),然后通過Pushover分析獲得結(jié)構(gòu)的極限承載能力,最后通過非線性位移結(jié)果評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)是否滿足目標(biāo)性能要求。
目前規(guī)范中推薦的基地剪力法和反應(yīng)譜法均為彈性分析方法,這些方法也被稱為基于荷載的設(shè)計(jì)方法。而基于性能的設(shè)計(jì)方法是使用與結(jié)構(gòu)損傷直接相關(guān)的位移來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的變形能力,所以又被稱為基于位移的設(shè)計(jì)方法。
2基本原理
結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析方法本質(zhì)上是一種與反應(yīng)譜相結(jié)合的靜力非線性分析方法。它根據(jù)結(jié)構(gòu)具體情況用與之相適應(yīng)的成一定分布的水平加載方式,用二維或偽三維力學(xué)模型代替原結(jié)構(gòu),對(duì)結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增荷載直到將結(jié)構(gòu)推至一個(gè)給定的目標(biāo)位移或結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)為止,以此來分析結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性狀態(tài)時(shí)的反應(yīng),從而判斷結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的變形受力是否滿足設(shè)計(jì)和使用功能的要求。
3計(jì)算理論
靜力非線性分析是結(jié)構(gòu)分析模型在一個(gè)沿結(jié)構(gòu)高度為某種規(guī)定分布形式且逐漸增加的側(cè)向力或側(cè)向位移作用下,直至結(jié)構(gòu)模型控制點(diǎn)達(dá)到目標(biāo)位移或結(jié)構(gòu)傾覆為止的過程。控制點(diǎn)一般指建筑物頂層的形心位置 ,目標(biāo)位移為建筑物在設(shè)計(jì)地震力作用下的最大變形。非線性彈塑性分析包括能力譜方法,使用能力(推覆)曲線和折減的反應(yīng)譜曲線的交點(diǎn)來估計(jì)(預(yù)測(cè))最大位移;位移系數(shù)方法,使用推覆分析和一個(gè)改進(jìn)的等效位移估計(jì)方法來估計(jì)最大位移;割線方法,使用替代結(jié)構(gòu)&割線剛度來估計(jì)最大位移。能力譜方法是一種非線性靜力方法,它提供了將結(jié)構(gòu)力-位移能力曲線(例如,Pushover曲線)與用反應(yīng)譜表示的地震需求曲線相比較的作圖方法,是評(píng)估、改進(jìn)已有混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)非常有用的工具。該作圖方法可以清楚的反映結(jié)構(gòu)對(duì)地震地面運(yùn)動(dòng)的反應(yīng),并且它能夠就不同的結(jié)構(gòu)修正方案比如提高剛度或者強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)地震反映的影響,提供快捷并且清晰的圖示。簡(jiǎn)化的非線性分析使用推覆方法,需要確定三個(gè)基本要素:能力,需求或者位移,性能。
確定能力譜曲線結(jié)構(gòu)的全部能力由構(gòu)成結(jié)構(gòu)的全部構(gòu)件的強(qiáng)度&變形能力構(gòu)成。為了確定(結(jié)構(gòu))彈性范圍以外的能力,需要運(yùn)用一些非線性分析方法,如推覆方法。確定能力譜曲線的步驟如下:
1確定結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型
2結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際承載力計(jì)算
3構(gòu)件的彈性、開裂和屈曲后剛度的估計(jì)
4用Pushover分析估計(jì)層間側(cè)向剛度和層間位移角
5確定結(jié)構(gòu)承載力曲線,如圖1
6轉(zhuǎn)化成為能力譜曲線,能力譜曲線和需求譜曲線對(duì)比如圖2
圖 1 結(jié)構(gòu)承載力曲線
圖2 能力譜曲線Pushover曲線對(duì)比
能力譜法
通過逐漸加大預(yù)先設(shè)定的荷載直到最大性能控制點(diǎn)位置,獲得荷載-位移能力曲線。多自由度的荷載-位移關(guān)系轉(zhuǎn)換為使用單自由度體系的加速度-位移方式表現(xiàn)的能力譜,地震作用響應(yīng)譜轉(zhuǎn)換為用ADRS方式表現(xiàn)的需求譜。通過對(duì)比兩個(gè)譜曲線,評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在彈塑性狀態(tài)下的最大需求內(nèi)力和變形能力,通過與目標(biāo)性能比較,決定結(jié)構(gòu)的性能水平。能力譜原理如圖3.
圖3能力譜法原理
計(jì)算性能點(diǎn)
能力譜和需求譜的交點(diǎn)稱為性能點(diǎn)。利用pushover分析得到的結(jié)構(gòu)能力譜和非線性設(shè)計(jì)的響應(yīng)譜比較,可以獲得表現(xiàn)結(jié)構(gòu)非線性最大位移和保有內(nèi)力的性能點(diǎn),并利用其來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的水準(zhǔn)。確定性能點(diǎn)基本原理是使用有效阻尼系數(shù)評(píng)價(jià)需求譜并求其與能力譜的交點(diǎn)為性能點(diǎn)。
首先將能力譜中的斜率為初始剛度的切線和阻尼比為5%的彈性設(shè)計(jì)響應(yīng)譜的交點(diǎn)作為初始性能點(diǎn)。然后確定初始性能點(diǎn)位置的等效阻尼,然后求使用有效阻尼系數(shù)的非線性設(shè)計(jì)響應(yīng)譜,然后重新計(jì)算交叉點(diǎn)作為性能點(diǎn)。重復(fù)上述過程,直到在使用有效阻尼系數(shù)的非線性設(shè)計(jì)響應(yīng)譜和能力譜的交點(diǎn)位置上位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)的變化量在誤差范圍內(nèi),將此時(shí)的交點(diǎn)視為性能點(diǎn)。方法見圖4.
圖4 確定性能點(diǎn)
定義塑性鉸
SAP2000n中的塑性鉸本構(gòu)關(guān)系如圖5所示。其中AB,BC,CD,DE分別表示彈性段、強(qiáng)化段、卸載段和破壞段。定義塑性鉸有兩種方法,一種是自定義,即由截面配筋情況計(jì)算出幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)B,C,D,E的位置并輸入到本構(gòu)關(guān)系中;另一種是程序按照美國(guó)規(guī)范FEMA273和ATG40給定。為簡(jiǎn)單起見,文中采用后一種方法,即采用程序給的默認(rèn)值。對(duì)于梁?jiǎn)卧?一般僅考慮彎矩屈服產(chǎn)生塑性鉸,即定義為程序中的M3;對(duì)柱單元,考慮由軸力和雙向彎矩相關(guān)作用產(chǎn)生塑性鉸,即定義為PMM。塑性鉸的位置,則設(shè)在梁、柱桿件的兩端,因?yàn)橐话闱闆r下,兩端彎矩最大。
圖5 不同性能水準(zhǔn)下的塑性鉸位移限制
終止分析條件
1達(dá)到最大步驟數(shù)時(shí)。
2達(dá)到最大位移、最大層間位移角限制時(shí)。
3當(dāng)前剛度與初始剛度的壁紙超過設(shè)計(jì)的限值時(shí)。
4初始荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服時(shí)。
4、彈塑性計(jì)算方法
(1) 建立結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型、構(gòu)件的物理參數(shù)和恢復(fù)力模型等;
(2) 計(jì)算結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的內(nèi)力;
(3) 建立側(cè)向荷載作用下的荷載分布形式,將地震力等效為倒三角或與第一振型等效的水平荷載模式。在結(jié)構(gòu)各層的質(zhì)心處,沿高度施加以上形式的水平荷載。確定其大小的原則是:水平力產(chǎn)生的內(nèi)力與前一步計(jì)算的內(nèi)力疊加后,恰好使一個(gè)或一批桿件開裂或屈服;
(4) 對(duì)于開裂或屈服的桿件,對(duì)其剛度進(jìn)行修改后,再增加一級(jí)荷載,又使得一個(gè)或一批桿件開裂或屈服;
(5) 不斷重復(fù)步驟(3)、(4),直至結(jié)構(gòu)達(dá)到某一目標(biāo)位移或發(fā)生破壞,將此時(shí)的結(jié)構(gòu)的變形和承載力與允許值比較,以此來判斷是否滿足“大震不倒”的要求。
5、Pushover分析過程
1靜力分析及完成設(shè)計(jì)
在做pushover分析前首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一般的靜力分析及設(shè)計(jì)。
2輸入pushover分析控制數(shù)據(jù)
3定義荷載工況
4定義鉸數(shù)據(jù)
5分配鉸給構(gòu)件
6運(yùn)行pushover分析
7查看分析結(jié)果
6 模型建立與設(shè)計(jì)參數(shù)輸入
工程簡(jiǎn)介:坐落在北京某地15層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),層高為3米,跨度為8米,鋼筋混凝土:300mm*600mm,混凝土柱為800mm*800,樓板為120厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板,屋蓋為180厚現(xiàn)澆混凝土,抗震設(shè)防地震等級(jí)為7級(jí),罕遇地震為8級(jí)。
荷載參數(shù):樓蓋面上承受恒荷載:4KN/m2
樓蓋面上承受活荷載:3KN/m2
分析步驟:
建立模型
材料屬性
荷載類型
指定荷載
定義梁柱塑性
鋼筋混凝土框架設(shè)計(jì)
4 計(jì)算結(jié)果輸出
1 能力譜曲線
2 能力譜表格
3 能力譜與需求譜曲線確定性能點(diǎn)
4 分析過程中的塑性鉸
5 最終結(jié)構(gòu)塑性鉸分布
7 計(jì)算結(jié)果分析
分析了三個(gè)框架結(jié)構(gòu),荷載相同,但是梁柱界面參數(shù)不一樣,柱截面參數(shù)從600*600變到800*800,梁截面從250*500變到300*600,發(fā)現(xiàn)隨著界面參數(shù)的改變能力譜曲線斜率越來越大,表現(xiàn)出很好的抗震性能,同時(shí)隨著梁截面的增大,柱的塑性鉸會(huì)多起來,出現(xiàn)了強(qiáng)梁弱柱的破壞形態(tài)。但三次分析發(fā)現(xiàn)能力譜曲線與需求譜曲線都有交點(diǎn),即性能點(diǎn)。此時(shí)的分析也表明要使框架結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能和較多的能量?jī)?chǔ)備需要梁柱的界面尺寸大大增多,結(jié)構(gòu)比較柔,但同時(shí)只要優(yōu)化設(shè)計(jì)能表現(xiàn)出很好的延性性能。
從能力譜與需求譜的交點(diǎn)知此結(jié)構(gòu)抗震性能比較好,主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較矮,豎向荷載不大,梁柱截面不小。從最終結(jié)構(gòu)塑性鉸的分布來能看出柱出現(xiàn)了塑性,但從梁柱出現(xiàn)的次數(shù)來看結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還是基本滿足了強(qiáng)柱弱梁的抗震設(shè)計(jì)原則。
8 結(jié)論
Pushover分析方法既可以對(duì)結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的響應(yīng)進(jìn)行較精確的分析,更重要的是可以對(duì)結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下可能出現(xiàn)的彈塑性變形進(jìn)行較直觀的分析。用SAP2000進(jìn)行靜力彈塑性分析,還有一些需要完善的地方,如塑性鉸特性的定義、側(cè)向力分布形式以及剪力墻的準(zhǔn)確模擬等方面,還需要進(jìn)一步研究。
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