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)計中最具代表性的分析方法。所謂基于性能的抗震設(shè)計是以某種目標性能為設(shè)計控制目標,而不是單純的滿足規(guī)范要求的承載能力的設(shè)計方法。其步驟是先按照規(guī)范要求進行抗震分析和構(gòu)件設(shè)計,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)果評價結(jié)構(gòu)是否滿足目標性能要求。
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)計方法。而基于性能的設(shè)計方法是使用與結(jié)構(gòu)損傷直接相關(guān)的位移來評價結(jié)構(gòu)的變形能力,所以又被稱為基于位移的設(shè)計方法。
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),對結(jié)構(gòu)施加單調(diào)遞增荷載直到將結(jié)構(gòu)推至一個給定的目標位移或結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)為止,以此來分析結(jié)構(gòu)進入非線性狀態(tài)時的反應(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)計和使用功能的要求。
3計算理論
靜力非線性分析是結(jié)構(gòu)分析模型在一個沿結(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)模型控制點達到目標位移或結(jié)構(gòu)傾覆為止的過程?？刂泣c一般指建筑物頂層的形心位置 ,目標位移為建筑物在設(shè)計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)譜曲線的交點來估計(預(yù)測)最大位移;位移系數(shù)方法,使用推覆分析和一個改進的等效位移估計方法來估計最大位移;割線方法,使用替代結(jié)構(gòu)&割線剛度來估計最大位移。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,是評估、改進已有混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個非常有用的工具。該作圖方法可以清楚的反映結(jié)構(gòu)對地震地面運動的反應(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度對結(jié)構(gòu)地震反映的影響,提供快捷并且清晰的圖示。簡化的非線性分析使用推覆方法,需要確定三個基本要素: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)的計算模型
2結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實際承載力計算
3構(gòu)件的彈性、開裂和屈曲后剛度的估計
4用Pushover分析估計層間側(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。通過對比兩個譜曲線,評價結(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
計算性能點
能力譜和需求譜的交點稱為性能點。利用pushover分析得到的結(jié)構(gòu)能力譜和非線性設(shè)計的響應(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,并利用其來評價結(jié)構(gòu)的水準。確定性能點基本原理是使用有效阻尼系數(shù)評價需求譜并求其與能力譜的交點為性能點。
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)計響應(yīng)譜的交點作為初始性能點。然后確定初始性能點位置的等效阻尼,然后求使用有效阻尼系數(shù)的非線性設(shè)計響應(yīng)譜,然后重新計算交叉點作為性能點。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)計響應(yīng)譜和能力譜的交點位置上位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)的變化量在誤差范圍內(nèi),將此時的交點視為性能點。方法見圖4.
圖4 確定性能點
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算出幾個關(guān)鍵點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規(guī)范FEMA273和ATG40給定。為簡單起見,文中采用后一種方法,即采用程序給的默認值。對于梁單元,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,因為一般情況下,兩端彎矩最大。
圖5 不同性能水準下的塑性鉸位移限制
終止分析條件
1達到最大步驟數(shù)時。
2達到最大位移、最大層間位移角限制時。
3當前剛度與初始剛度的壁紙超過設(shè)計的限值時。
4初始荷載作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服時。
4、彈塑性計算方法
(1) 建立結(jié)構(gòu)的計算模型、構(gòu)件的物理參數(shù)和恢復(fù)力模型等;
(2) 計算結(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)力與前一步計算的內(nèi)力疊加后,恰好使一個或一批桿件開裂或屈服;
(4) 對于開裂或屈服的桿件,對其剛度進行修改后,再增加一級荷載,又使得一個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)達到某一目標位移或發(fā)生破壞,將此時的結(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
在做pushover分析前首先對結(jié)構(gòu)進行一般的靜力分析及設(shè)計。
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運行pushover分析
7查看分析結(jié)果
6 模型建立與設(shè)計參數(shù)輸入
工程簡介: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)防地震等級為7級,罕遇地震為8級。
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
4 計算結(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
4 分析過程中的塑性鉸
5 最終結(jié)構(gòu)塑性鉸分布
7 計算結(jié)果分析
分析了三個框架結(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,同時隨著梁截面的增大,柱的塑性鉸會多起來,出現(xiàn)了強梁弱柱的破壞形態(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,即性能點。此時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儲備需要梁柱的界面尺寸大大增多,結(jié)構(gòu)比較柔,但同時只要優(yōu)化設(shè)計能表現(xiàn)出很好的延性性能。
從能力譜與需求譜的交點知此結(jié)構(gòu)抗震性能比較好,主要是因為結(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)計還是基本滿足了強柱弱梁的抗震設(shè)計原則。
8 結(jié)論
Pushover分析方法既可以對結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的響應(yīng)進行較精確的分析,更重要的是可以對結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下可能出現(xiàn)的彈塑性變形進行較直觀的分析。用SAP2000進行靜力彈塑性分析,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確模擬等方面,還需要進一步研究。
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