高層結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析的方法研究

1、第二十屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文年高層結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析的方法研究安東亞李承銘（上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)（集團(tuán)）有限公司，上海）提要介紹了開展彈塑性時(shí)程分析研究的必要性、現(xiàn)代集團(tuán)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)研究學(xué)科中心開展此項(xiàng)研究的情況，并結(jié)合實(shí)際工程闡述了在計(jì)算分析過程中需要重點(diǎn)注意的幾個(gè)具體問題及一些工程感受，最后展望了今后開展工作的方向。關(guān)鍵詞彈塑性：時(shí)程分析彈塑性時(shí)程分析的必要性隨著建筑高度迅速增長，復(fù)雜程度日益提高，完全采用彈性理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算和設(shè)計(jì)已經(jīng)難以滿足需要，彈塑性分析方法顯得日趨重要。歷史上的多次震害也證明了彈塑性分析的必要性：年日本的十柵沖地震中不少按等效靜力方法進(jìn)行抗震設(shè)防的多層

2、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)遭到了嚴(yán)重破壞，年美國地震、年日本大分地震也出現(xiàn)了類似的情況。相反，年墨西哥城地震中層的許多建筑物遭到破壞，而首次采用了動(dòng)力彈塑性分析的一座層建筑物卻安然無恙，年該建筑又經(jīng)歷了一次級(jí)地震依然完好無損。建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范條規(guī)定，對(duì)于特別不規(guī)則的結(jié)構(gòu)、板柱一抗震墻、底部框架磚房以及高度不大于的高層鋼結(jié)構(gòu)、度三、四類場地和度乙類建筑中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)宜進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算。對(duì)于高度大于的鋼結(jié)構(gòu)、甲類建筑等結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程條也規(guī)定，對(duì)于級(jí)高度的高層建筑結(jié)構(gòu)和復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，如帶轉(zhuǎn)換層、加強(qiáng)層及錯(cuò)層、連體、多塔結(jié)構(gòu)等，宜采用彈塑性靜力或動(dòng)力分析方法

3、驗(yàn)算薄弱層彈塑性變形。目前國內(nèi)開展彈塑性分析研究的情況隨著人們對(duì)彈塑性分析認(rèn)識(shí)程度的不斷加深，以及計(jì)算機(jī)軟硬件的迅猛發(fā)展，給動(dòng)力彈塑性分析帶來了更大的發(fā)展空間。目前國內(nèi)很多高校和一些大的設(shè)計(jì)院以及一些專業(yè)的咨詢公司都在大力開展動(dòng)力彈塑性分析的研究工作口翔。高校的研究偏重于理論，設(shè)計(jì)院和專業(yè)咨詢公司則更注重于方法的實(shí)用性研究，從生產(chǎn)需求開始，真正致力于一項(xiàng)專項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)。學(xué)科中，開展彈塑性分析與研究的情況現(xiàn)代集團(tuán)下屬各大設(shè)計(jì)院很多工程項(xiàng)目都是國家重點(diǎn)工程或者超高、超限的復(fù)雜工程，這些結(jié)構(gòu)都對(duì)計(jì)算分析有特殊的要求，很多時(shí)候需要進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析。集團(tuán)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)研究學(xué)科中心是集團(tuán)重點(diǎn)建設(shè)的專

4、業(yè)團(tuán)隊(duì)，其開展各項(xiàng)研究的目的就是要服務(wù)于集團(tuán)所屬設(shè)計(jì)院，服務(wù)于一線生產(chǎn)，因此安東亞，男。出生，碩士，助理工程師一挪¨¨厶筑掏學(xué)會(huì)論女年有責(zé)任義務(wù)動(dòng)力撣目性分析技術(shù)腱作，并逐步達(dá)刮行、領(lǐng)水平。前學(xué)科巾心住設(shè)領(lǐng)域纖進(jìn)行系列的應(yīng)川劃究，并仍神進(jìn)仃皿血深入竹】完善的研究作。已繹完成的其兒個(gè)，程匪聯(lián)雕默卜邕圃目訓(xùn)吲凡冉托稚大膨叼幽一電視塔目廚罔際建發(fā)艇糾大連菜超島聯(lián)公寓彈塑陀¨算與彈性計(jì)竹柏較人器別，正論是汁算軟件的選樣模型的建。、算過程的調(diào)粘、還是結(jié)果的處“分析等，自自前耍特別注盤的地與在以上。程項(xiàng)的完成過程中，就存很多彈目。肚分析的性叫趣，返蟄站臺(tái)人迕柴趟高層公寓結(jié)構(gòu)塍

5、開討論，彈塑生時(shí)程分析過程中需要重點(diǎn)考慮的幾個(gè)問題軟件的選擇首先是汁算軟件的選擇問題，一般設(shè)汁軟什刪重【程設(shè)計(jì)，撣型件分析方面弗非強(qiáng)項(xiàng)，所以豎選擇適合做彈靼性分析的大型通用宵限兒軟件。日自口常用的適做結(jié)構(gòu)憚顰性分析的軟件硝和，木身純件的功能比較強(qiáng)人缺少川盟的彈掣睢灘凝小構(gòu)咒系，刈混凝整體結(jié)樹彈唧性分析略¨雕，似址它捉供世的輸入山式，¨】打使川侄的編處日法，刈純制坫構(gòu)“腫”蛔性叫程分析址比較臺(tái)的】的啦項(xiàng)就芷吶純忡功能，其乖身也提供舟部分兒的批戕拌嘲陀小柑天樂，【允川戶外發(fā)的¨料槿刊外吶釁竹后處娜，蛭川】的【，這州丹世水槲劉較剛八存一能小易，摧大畦糶趟“膳公為鉗筋，魁

6、結(jié)構(gòu)，往脫訂的祭“我”進(jìn)川鞍什。模型的準(zhǔn)備這分作往牡個(gè)忡吼分目過樣所佗業(yè)的精力址最大的也是仃必業(yè)花人。力投入部分內(nèi)弈川為處刪的薔，撇甜，”、，接搭帕分能順利進(jìn)十，肚仝搿【縮吊舯好壞，以崖址行斤便鍵耳（所需螋的結(jié)玳。勝曲山彈】眭州程分忻是拒訂小的設(shè)計(jì)性刪的罐礎(chǔ)進(jìn)行油，比如?！盎蚩夏Ｏl糶是初步冉糶階段的睦，也，自卅監(jiān)段“接椰竹方雍。這重點(diǎn)淡相世¨模型以后址如十進(jìn)的。方恤起見，我們把啦¨軟件巾，的模州稱為彈陀模型。為了保持和彈性模型的致，般是通工塵軟什之問的轉(zhuǎn)化，褂到所需攔的憚型什撥掣。值甜提卅的是通用南兒群塒模剞建立的要求比較苛劉，“幾訊多舟設(shè)軾件一便使川的概念和功能訂這。邪足

7、沒仃的，比如樓；的概念，率身都足小齋的，這就攔我們根捌堅(jiān)做糶些特定硅胃來實(shí)現(xiàn)層概念的功能，以便加域耵進(jìn)行盯處礎(chǔ)。模型的簡化利川埴塒打限兀榭序進(jìn)“彈顰他分析，脞需蛭嗡鋮分皿緗的竹，業(yè)叫格，肌訓(xùn)筋的考，結(jié)構(gòu)塒橫彈什模艱般揶會(huì)增凡兒倍所以必蛭抓住上匹矛盾結(jié)構(gòu)進(jìn)簡化比如刪柿些次要的杜州。結(jié)構(gòu)。罔、硅小了大連柴趟塒膳公寓簡化后的札、層面。股遵循帕燎則址憚時(shí)卦，構(gòu)上籃膽投柑什上抖次要承找構(gòu)件刪掉淡蛾構(gòu)件的舊時(shí)監(jiān)慊科所刪件的重鞋以披兒的打”荷找批，叩監(jiān)將次籃構(gòu)什的口巾茼城肝轉(zhuǎn)移到與連的十體始；：囂乩一靜舟的單兒多時(shí)性人小小有限元網(wǎng)格的重新劃分轉(zhuǎn)化過柬的幔小能九接使川的原上蛭“曲個(gè)其許多啦元下備崩劃小齊理并慮

8、”等，返“。存通川打限兒程序卜勝都會(huì)報(bào)錯(cuò)誤，前型進(jìn)樸處理二，為忡掣降分析，褂制止：的十度需蛭進(jìn)步將兒細(xì)分。維過返步處卑后的幣兀璀奉就比較均勻州心。第二十屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文年單元連接的特殊處理很多時(shí)候會(huì)遇到剪力墻開洞的問題，在設(shè)計(jì)軟件中墻單元和梁單元在面內(nèi)直接連接是沒有問題的，但通用軟件是基于純粹的有限元理論，由于殼單元本身的特性，當(dāng)與梁單元在面內(nèi)連接時(shí)，無法傳遞彎矩，如果不做特殊處理會(huì)和實(shí)際不符，造成整體結(jié)構(gòu)偏柔，周期偏長。因此如果結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)較多這種連接的時(shí)候，就必須采取強(qiáng)制約束方程或者其他一些等效的措施，來保證彎矩的有效傳遞。經(jīng)過了前面一系列的處理，需要對(duì)新模型進(jìn)行一次全面的校核

9、，保證其與原始葉訂模型在幾個(gè)關(guān)鍵方面的一致性總質(zhì)量、恒載反力、活載反力、周期、振型等。只有保證了這幾項(xiàng)基本參數(shù)的一致才能繼續(xù)進(jìn)行下去。大連某超高層公寓校核的結(jié)果見表、表表不同程序結(jié)構(gòu)自振周期模態(tài)結(jié)構(gòu)周期（）表不同程序結(jié)構(gòu)底部豎向反力荷載工況恒載活載基底反力（斟）材料的準(zhǔn)備一本構(gòu)關(guān)系的選擇、鋼筋、暗柱、鋼骨混凝土、鋼管混凝土的處理本構(gòu)關(guān)系的合理模擬是彈塑性分析的一個(gè)重點(diǎn)也是難點(diǎn)。鋼筋的彈塑性本構(gòu)關(guān)系比較簡單，一般選用兩折線隨動(dòng)硬化模型，考慮包辛格效應(yīng)，在循環(huán)過程中無剛度退化。八圖鋼材本構(gòu)模型一一一簟八、一乞（卜）隊(duì)。圖混凝土損傷模型混凝土的材料相對(duì)復(fù)雜，一般按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄表采用。但是程

10、序本身并不支持在梁單元中使用該模型，這就需要開發(fā)用戶子程序來實(shí)現(xiàn)該材料模型；對(duì)于鋼管混凝土第二十屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文年還要考慮套箍作用對(duì)混凝土屈服強(qiáng)度的提高，也需要自己進(jìn)行一些相應(yīng)的開發(fā)口一。阻尼的考慮阻尼和的合理考慮也是一個(gè)值得探討的話題，一般在罕遇地震彈塑性時(shí)程分析中，材料塑性變形帶來的耗能作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)先輸入的初始阻尼比的影響，因此如果不輸入初始阻尼比影響可能不大。但是如果結(jié)構(gòu)在大震下進(jìn)入塑性的程度較小，對(duì)有些剛度較大的大跨度屋蓋就是如此，這時(shí)候不考慮初始阻尼可能會(huì)帶來較大的影響。一般使用比例阻尼就基本可以滿足工程需要，但是阻尼設(shè)置對(duì)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析的收斂會(huì)造成障礙，或者在顯

11、示動(dòng)力分析中影響最小時(shí)間步長。所以阻尼究竟如何設(shè)置仍是需要研究的一個(gè)問題。地震波的選擇地震波的選擇對(duì)分析結(jié)果影響的程度也比較大，不同地震波帶來不同的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。對(duì)于一些重大工程一般是根據(jù)安平報(bào)告并結(jié)合規(guī)范進(jìn)行選取。大連某超高層公寓結(jié)構(gòu)在地震波選取上出現(xiàn)了多次討論，開始設(shè)計(jì)院提供了幾組人工波和天然波，但經(jīng)過傅立葉變換發(fā)現(xiàn)其頻譜特性和規(guī)范譜相差較大，特別是在結(jié)構(gòu)主要周期區(qū)域不統(tǒng)一。經(jīng)過幾次反復(fù)調(diào)換最終確定了比較合適的幾組地震波。圖最初提供的地震波頻譜特性試算的重要性圖最終采用的地震波頻譜特性所有準(zhǔn)備工作完畢，不要著急計(jì)算，建議先進(jìn)行一下試算。試算有三個(gè)目的，首先是程序?qū)δＰ偷臋z查，看看能否正常進(jìn)行：

12、其二是對(duì)計(jì)算時(shí)間的測(cè)算，根據(jù)設(shè)置的最小時(shí)間步長測(cè)算計(jì)算一組地震波所需要的總時(shí)間，看看是否在可接受的范圍內(nèi)，如果時(shí)間太長就要在滿足精度的前提下增大步長；其三是檢查結(jié)果文件的大小，根據(jù)所計(jì)算的步數(shù)測(cè)算整個(gè)計(jì)算過程結(jié)束后結(jié)果文件的大小，看看是不是在自己硬盤允許的范圍內(nèi)，對(duì)于超大規(guī)模的計(jì)算可能計(jì)算結(jié)果文件會(huì)在幾個(gè)甚至幾十個(gè)，如此龐大的單個(gè)文件有可能導(dǎo)致硬盤爆出，如果試算中測(cè)算下來是這樣的結(jié)果，就需要更改輸出項(xiàng)的設(shè)置，將結(jié)果中不感興趣的項(xiàng)目設(shè)為不保存。如此下來就可以進(jìn)行計(jì)算了。大連某超高層公寓試算后的結(jié)果為：單元數(shù)，節(jié)點(diǎn)數(shù)，總自由度；一組地震波的單次計(jì)算時(shí)間約為個(gè)小時(shí)；單個(gè)結(jié)果文件約計(jì)算中斷、問題查詢、

13、解決方法等計(jì)算過程中需要不斷關(guān)注進(jìn)程。因?yàn)楹茈y預(yù)測(cè)會(huì)出現(xiàn)什么樣的錯(cuò)誤導(dǎo)致計(jì)算中斷，這個(gè)時(shí)候出錯(cuò)原因的查詢以及問題的解決都需要非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。總之出錯(cuò)和反復(fù)調(diào)整是小可避免的，有時(shí)候一個(gè)問題可能需要幾天時(shí)間來解決，這就要求我們保持良好的心態(tài)，正確對(duì)待工作中的任何難題。第二十屆全國高層建筑結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文年結(jié)果的提取和分析計(jì)算結(jié)束后，只能說工作進(jìn)行了一半，接下來是復(fù)雜的結(jié)果提取和分析。一般我們首先要關(guān)注結(jié)構(gòu)是不是倒塌，然后是詳細(xì)的一些數(shù)據(jù)，比如結(jié)構(gòu)的整體位移、層間位移角、基底剪力、剪重比、主要構(gòu)件的塑性變形以及損傷程度，以及塑性發(fā)展的過程等等。這些結(jié)果有些是程序可以直接提供的，有些則需要用戶自己編制

14、一些批處理的命令或者腳本文件來實(shí)現(xiàn)，畢竟通用計(jì)算程序沒有專業(yè)設(shè)計(jì)軟件來得方便。所有這些結(jié)果只要程序掌握得足夠熟練都是可以得到的，困難的是對(duì)這些結(jié)果的評(píng)判和分析，如何拿這些結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，以及能否對(duì)結(jié)構(gòu)體系布置提出具體的建設(shè)性的修改建議。這就要求分析人員不但要具備較高的計(jì)算技能，更要有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)大連某超高層公寓在幾組罕遇地震波作用下計(jì)算結(jié)果的詳細(xì)分析，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)大震不倒的可靠性，給出了整個(gè)結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展的順序和發(fā)展程度，明確了筒體之間連梁首先發(fā)生破壞可以成為一道抗震防線，同時(shí)發(fā)現(xiàn)沿結(jié)構(gòu)高度剪力墻變厚度和改變材料強(qiáng)度等級(jí)的部位有較嚴(yán)重的集中塑性應(yīng)變、剪力墻邊緣構(gòu)件作用效果明顯、結(jié)構(gòu)

15、頂部的鞭梢效應(yīng)使整個(gè)結(jié)構(gòu)的最大塑性區(qū)發(fā)生在該區(qū)域等，根據(jù)計(jì)算結(jié)果我們給設(shè)計(jì)方提出了一些積極的建議，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了幾處有益的調(diào)整。保持與設(shè)計(jì)人員順暢溝通彈塑性分析過程中與設(shè)計(jì)人員的有效溝通是很必要的。很多時(shí)候設(shè)計(jì)方案要不斷的進(jìn)行調(diào)整，如果調(diào)整影響到結(jié)構(gòu)的主要性能我們就不得不更改彈塑性的計(jì)算模型，很可能整個(gè)建模過程要從頭再來一遍，這將使狴個(gè)彈塑性分析的過程變得十分辛苦。在交流的過程中還要及時(shí)了解設(shè)計(jì)人員所關(guān)心的問題，比如哪些部位是他們重點(diǎn)想了解的，以便根據(jù)需要提供更多具有針對(duì)性的結(jié)果。通過交流也從設(shè)計(jì)入員那里學(xué)到一些設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，對(duì)于今后開展計(jì)算分析也很有益處。今后的發(fā)展隨著研究的不斷開展與深入，動(dòng)力彈塑性分析逐漸應(yīng)用到各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，越來越多的被工程人員接受。目前研究的重點(diǎn)主要有兩個(gè)，一是提高動(dòng)力彈塑性計(jì)算結(jié)果的可信程度，二是完善計(jì)算結(jié)果對(duì)工程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，讓計(jì)算結(jié)果更具工程價(jià)值。這就需要在計(jì)算中考慮更多影響結(jié)果的因素，使一些關(guān)鍵因素的模擬更加合理，