靜力彈塑性性分析基本原理

靜力彈塑性分析的基本原理Copyright?2000-2003MIDASInformationTechnologyCo.,Ltd.北京邁達斯技術有限公司

黃競大震分析方法優(yōu)缺點應用程序主要區(qū)別靜力彈塑性分析方法簡單，便于理解。與時程分析法相比,Pushover方法概念清晰,實施相對簡單,同樣能使設計人員在一定程度上了解結構，在強震作用下的反應,迅速找到結構的薄弱環(huán)節(jié)。midas能直接做剪力墻結構sap、etabs墻需要用組合框架代替，操作復雜。pkpm沒有振型的加載方法。動力彈塑性分析對軟硬件要求比較高，計算時間長，結果不便于整理，但能真實的反應結構在大震下的狀態(tài)。midas只能做桿系結構sap、etabs只能做桿系結構pkpm可以做墻元。abaqus一般采用纖維墻元模擬。靜力彈塑性分析（Pushover分析）適用工程高層結構空間結構體育場靜力彈塑性分析（Pushover分析）Pushover分析是考慮構件的材料非線性特點，分析構件進入彈塑性狀態(tài)直至到達極限狀態(tài)時結構響應的方法。Pushover分析是最近在地震研究及耐震設計中經(jīng)常采用的基于性能的耐震設計(Performance-BasedSeismicDesign,PBSD)方法中最具代表性的分析方法。所謂基于性能的耐震設計就是由用戶及設計人員設定結構的目標性能(targetperformance)，并使結構設計能滿足該目標性能的方法。Pushover分析前要經(jīng)過一般設計方法先進行耐震設計使結構滿足小震不壞、中震可修的規(guī)范要求，然后再通過pushover分析評價結構在大震作用下是否滿足預先設定的目標性能。

靜力彈塑性分析（Pushover分析）Pushover分析是通過逐漸加大預先設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(capacitycurve)。靜力彈塑性分析（Pushover分析）多自由度的荷載－位移關系轉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(capacityspectrum)，地震作用的響應譜轉換為用ADRS(Acceleration-DisplacementResponseSpectrum)方式表現(xiàn)的需求譜(demandspectrum)。通過比較兩個譜曲線，評價結構在彈塑性狀態(tài)下的最大需求內力和變形能力，通過與目標性能的比較，決定結構的性能水平(performancelevel)。分析目的經(jīng)Pushover分析后,得到性能點,根據(jù)性能點時的變形,對以下三個方面進行評價:1)頂點側移是否滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性頂點位移限值2)層間位移角是否滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值。3)構件的局部變形是指梁、柱等構件塑性鉸的變形,檢驗它是否超過建筑某一性能水準下的允許變形操作步驟---靜力分析后進行配筋設計，并更新配筋---定義靜力彈塑性分析主控數(shù)據(jù)---定義靜力彈塑性分析工況---定義鉸特性值，并分配鉸---計算并查看靜力彈塑性分析結果靜力彈塑性分析（Pushover分析）建模及進行靜力分析

步驟同“鋼筋混凝土結構抗震分析及設計”更新配筋對于梁柱，“排序”選為“特性值”，“更新配筋”項激活點“全選”按鈕可自動勾選構件別忘了最后更新配筋方法1：利用程序配筋設計的結果

作用：將配筋結果賦予構件，做PUSHOVER分析時需要用到截面實配鋼筋結果。對于墻，“排序”選為“墻號＋層”，“更新配筋”項激活更新配筋更新配筋勾選要編輯驗算的構件截面方法2：利用用戶定義的配筋結果

若在此編輯驗算用截面，則構件的最終實配配筋結果采用此定義的Pushover荷載工況

Pushover荷載工況涉及的兩個問題

A、如何推？B、推到何種程度?Pushover荷載工況

MIDAS/Gen中提供兩種Pushover分析方法，即基于荷載增分的荷載控制法和基于目標位移的位移控制法。MIDAS/Gen的荷載控制法采用全牛頓－拉普森（FullNewton-Raphson）方法。牛頓－拉普森方法是采用微分原理求解的方法，其優(yōu)點是速度快。采用荷載增分的Pushover分析方法的圖形介紹如下。分析獲得的最終荷載(坍塌荷載)Qu彈性極限預測的坍塌荷載Qud*X等差級數(shù)對應的增分荷載位移荷載將最終(n+1)步驟的增分量作為后面的增分荷載基于荷載增分法的Pushover分析Pushover荷載工況

基于目標位移的位移控制法MIDAS/Gen的位移控制法是由用戶定義目標位移，然后逐漸增加荷載直到達到目標位移的方法。目標位移分為整體控制和主節(jié)點控制兩種，整體控制是所有節(jié)點的位移都要滿足用戶輸入最大位移，位移也是整體位移，不設置某一方向的位移控制。主節(jié)點控制是用戶指定特定節(jié)點的特定方向上的最大位移的方法。基于性能的耐震設計大部分是先確定可能發(fā)生最大位移的節(jié)點和位移方向后給該節(jié)點設定目標位移的方法。初始的目標位移一般可假定為結構總高度的1%、2%、4%。這些數(shù)值一般相當于最大層間位移值，與結構的破壞情況相關。Pushover荷載工況

輸入大于1的整數(shù)（nstep>=1)

推薦最小輸入20(默認值：20)

輸入步驟數(shù)

選擇考慮則使用PUSHOVER主控數(shù)據(jù)中定義的初始荷載

當使用PMM類型(考慮軸力的變化)鉸時，需要更新鉸的屈服強度，此時應選擇考慮初始荷載。

選擇是否考慮初始荷載

選擇是否考慮P-Delta分析

選擇增量控制方法：荷載控制、位移控制

定義PUSHOVER荷載工況Pushover荷載工況

最大位移一般為總高度×彈塑性層間位移角限值，參見《建筑抗震設計規(guī)范》5.5.5

條選擇基本模態(tài)作為Pushover荷載的分布模式

周期與振型結果窗口Pushover荷載工況

終止分析條件可以獲得穩(wěn)定解的區(qū)段荷載增量很難獲得穩(wěn)定解Cs接近0.0時，將自動終止分析

當前剛度比

彈性(線性)：Cs=1.0

到屈服極限

：1.0>Cs>0.0

負區(qū)段

：Cs＜0.0

Pushover荷載工況

當前剛度比

変位増分

1Column

剛度折減率

：0.0→理想彈塑性

分析模型

位移控制結果：可獲得穩(wěn)定解

荷載控制結果：屈服后的剛度為0.0，所以無法獲得穩(wěn)定解GenV730(NEW)每個步驟中都會計算當前剛度比，當前剛度比為0.0時將自動停止分析。Pushover荷載工況

加載方式FEMA-273推薦三種形式:1)均勻分布:各樓層側向力可取所在樓層質量；2)倒三角形分布:結構振動以基本振型為主時的慣性力的分布形式,類似于我國規(guī)范中用底部剪力法確定的側向力分布；3)SRSS分布:反應譜振型組合得到的慣性力分布。midas程序提供了自定義分布、均勻加速度分布和振型荷載分布三種加載方式均勻加速度分布：提供的側向力是用均一的加速度和相應質量分布的乘積獲得的；振型荷載分布：提供的側向力是用給定的振型和該振型下的圓頻率的平方(ω2)及相應質量分布的乘積獲得的,可以取任何一個振型其中,均勻加速度方法相當于均勻分布,振型荷載分布方法,當取第一振型時,相當于倒三角分布，用戶也可以自定義水平力。采用振型荷載分布要有振型分析。Pushover主控數(shù)據(jù)

在PUSHOVER荷載工況中選擇考慮初始荷載。

考慮軸力變化的影響時需要考慮初始荷載

定義初始荷載

適用于所有PUSHOVER荷載工況

定義收斂條件

定義PUSHOVER鉸的剛度折減率默認值：在此修改默認值后點擊確認鍵，則所有鉸的剛度折減率都將自動修改。

設置剛度折減率默認值

自動計算具有分布型鉸特性的梁單元的屈服強度時，需要參考特梁單元某個位置的特性(如配筋)

→

I端、J端、中心MIDAS/Gen中鉸特性的說明二維梁單元和三維梁－柱單元模型

桁架單元模型

定義鉸特性值MIDAS/Gen中鉸特性的說明

三維墻單元模型由中間的線單元，上下兩端的剛性桿構成。中間的線單元與三維梁－柱單元相同，剛性桿在xz平面內做剛體運動。

Etabs、sap中墻元的處理方法。

柱子：定義鉸特性值鏈桿:斜支撐：定義鉸特性值

彎矩-旋轉角(M-θ)本構單元

彎矩-曲率(M-Φ)本構單元：集中型、分布型

桁架單元（軸力)內力成分鉸特性初始剛度鉸位置Fx（軸力）軸力-位移（相對位移）EA/L單元中心Fy,Fz（剪力）剪力-剪切應變GAs單元中心Ｍｘ（扭矩）彎矩-旋轉角GJ/L單元兩端Ｍy,Ｍz

（彎矩）彎矩-旋轉鉸6EI/L,3EＩ/L,2EＩ/L單元兩端內力成分鉸特性初始剛度鉸位置Fx（軸力）軸力-應變EA積分點位置Fy,Fz（剪力）剪力-剪切應變GＡs積分點位置Ｍｘ（扭矩）彎矩-曲率GJ積分點位置Ｍy,Ｍz

（彎矩）彎矩-曲率EＩ積分點位置內力成分鉸特性初始剛度鉸位置Fx（軸力）軸力-位移（相對位移）EA/L單元中心

一般連接單元內力成分鉸特性初始剛度鉸位置Fx（軸力）軸力-變形（相對位移）用戶輸入（EA/L）單元中心Fy,Fz（剪力）剪力-變形（相對位移）用戶輸入（Gas/Ｌ）單元中心Ｍｘ（扭矩）彎矩-旋轉角用戶輸入（GJ/L）單元中心Ｍy,Ｍz

（彎矩）彎矩-旋轉鉸用戶輸入（EI/L）單元中心定義鉸特性值—M鉸（FEMA）選擇屈服強度的輸入方法選擇I、J端的特性是對稱還是非對稱單元兩端特性為非對稱時在此輸入輸入M/MY、D/DY輸入屈服強度選擇受拉和受壓區(qū)段特性是否相同輸入容許標準用戶輸入屈服變形(新增)輸入初始剛度(新增)123456789123456789定義鉸特性值—PMM鉸（FEMA）

選擇P-M-M類型時將自動勾選My-Mz內力成分

-

P-M-M類型僅適用于梁柱單元和墻單元

-膜類型的墻單元只能定義面內成分My的非線性特性(面外為彈性)1選擇骨架曲線類型：My和Mz只能選擇同樣類型的曲線＊．PMM鉸的剛度折減系數(shù)在屈服面特性窗口中進行設置。212屈服面特性窗口33選擇屈服面特性的計算方法44定義剛度折減系數(shù)556677ＰＭＭ鉸類型中即使選擇了用戶輸入也不能修改屈服強度實際分析中并不使用該值。屈服強度的定義：自動計算時不必用戶輸入－考慮軸力變化的影響時，在各步驟計算中都將考慮變化的軸力對屈服面的影響。定義屈服面：自動計算時不必輸入分配PUSHOVER鉸特性值

用鼠標選擇要分配的特性后拖放到模型畫面上

→分配了鉸特性的單元上將顯示鉸標簽

注意事項

選擇的單元類型與鉸特性不匹配時不能分配

一般連接單元不能使用鼠標拖放功能分配鉸特性修改PUSHOVER鉸特性值

修改已定義的Pushover鉸特性的方法

最常用的方法，推薦方法

修改“MM”

一次性修改多個單元的鉸特性

在定義鉸特性值窗口中直接修改則被分配了該特性的單元的鉸特性值將同時被修改

“定義鉸特性值”:可以修改鉸特性的所有內力成分

被分配了“MM”特性的所有單元的特性將被同時修改1212查看分配的鉸GenV712(舊版本)GenV730(新版本)運行靜力彈塑性分析查看靜力彈塑性分析結果

查找性能控制點查看靜力彈塑性分析結果

性能控制點性能控制點所對應的結構相關結果查找性能控制點查看靜力彈塑性分析結果

性能控制點確定方法Procedure-A是ATC-40中提供的基本方法，首先將能力譜中斜率為初始剛度的切線和阻尼比為5%的彈性設計響應譜的交點作為初始的性能點。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)的非線性設計響應譜，然后重新計算交叉點作為性能點。重復上述過程，直到在使用有效阻尼系數(shù)的非線性設計響應譜和能力譜的的交點位置上位移響應和加速度響應的變化量在誤差范圍內，將此時的交點視為性能點。采用Procedure-A方法確定性能點的方法參見下圖。

查看靜力彈塑性分析結果

性能控制點確定方法Procedure-B

ATC-40中計算性能點的第二種方法是首先假設位移延性比，然后計算對應延性比的結構的結構的有效周期，將有效周期直線和5%彈性設計響應譜的交點作為初始的性能點。對弈于假定的位移延性比的放射線狀的有效周期和非線性設計響應譜的交點將形成一個軌跡線，該軌跡線與結構的能力譜的交點為最終