基于位移的结构静力弹塑性分析方法的研究

基于位移的结构静力弹塑性分析方法的研究（推荐4篇）

基于位移的结构静力弹塑性分析方法的研究 篇1

摘 要：静力弹塑性分析方法不仅能够很好的反应结构的整体变形，还能在结构产生侧向位移的过程中，计算出结构构件的内力和变形，观察其全过程变化，判别结构和构件的破坏状态。本文通过此方法用ETABS程序对某8层钢筋混凝土结构进行静力弹塑性分析，并根据所得的分析结果评价其抗震性能。

关键词：静力弹塑性分析;ETABS;塑性铰

引言

F阶段我国采用的是“二阶段三水准”的设计方法。第一阶段设计时，按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力以及在小震作用下验算结构的弹性变形。第二阶段设计时，在大震作用下验算结构的弹塑性变形。在强震作用下，结构却常常会进入塑性阶段，如何在结构设计规范的基础上进一步确定结构的抗震性能成为关键。Pushover分析方法已被列入我国《建筑结构抗震设计规范》作为结构弹塑性变形验算方法之一。目前很多结构软件都增加了pushover分析的功能，在本文中，笔者将使用ETABS程序对某一钢筋混凝土框架结构进行静力弹塑性分析。

1.静力弹塑性分析

静力弹塑性分析方法(nonlinear static procedure)，也称pushover分析方法，是基于性能评估现有结构和设计新结构的一种方法。静力非线性分析是结构分析模型在沿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，直至结构模型控制点达到目标位移或结构倾覆为止，控制点一般指建筑物顶层的形心位置;目标位移为建筑物在设计地震力作用下的最大变形。

1.1 静力弹塑性分析的基本原理

静力弹塑性分析方法作为一种结构非线性响应的简化设计方法，并没有特别严密的理论基础。它的目标是获得结构在遭遇的地震作用下结构构件内力、结构整体或局部变形等。它基于以下两个基本假定：①实际工程中的多自由度结构体系的地震响应与该结构等效的单自由度体系相关，这意味着结构的地震响应仅由第一阵型控制。②结构沿高度的变形由形状向量( )表示，在整个地震反应过程中，无论侧移有多大，结构侧移的位移形状向量( )保持不变。

尽管上述这两个假定在理论上是不完全正确的，但已有的研究表明[1]对于地震反应以第一阵型为主的结构，其最大地震反应，该方法能得到较为合理的结果。

1.2 静力弹塑性分析方法的步骤

Pushover分析法本质上是一种与反应谱相结合的静力弹塑性分析法，它是按一定的水平荷载加载方式，对结构施加单调递增的水平荷载，逐步将结构推至一个给定的.目标位移来研究分析结构的非线性性能，从而判断结构构件的变形是否满足设计要求。采用pushover方法进行结构的非线性地震反应分析，得到结构的荷载-位移相关曲线以后，按反应谱形式给出对应于所考察地震的性能要求，将二者转化到同一个加速度-位移反应谱坐标系中，形成能力谱和需求谱，通过反复迭代计算可以得到两条谱的交点，即性能控制点，该点对应的结构形态若处于目标性能范围内，即可判断为达到了所设定的目标。

1.2.1 pushover曲线的计算

在结构上施加静力荷载，进行pushover分析，直至结构倒塌或整体的刚度矩阵| k |<0，可以得到结构的pushover曲线，基底剪力 -顶点位移 曲线，如图1所示。

1.2.2建立能力谱曲线

对不很高的建筑结构，地震反应以第一振型为主，可以将原结构等效为一个单自由度体系，因此，可以将pushover分析曲线转换为谱加速度 谱位移 (ADRS谱)的关系曲线，即能力谱曲线(capacity spectrum)，如图2所示。

1.2.3 建立需求谱曲线

将典型的(阻尼比为5%)加速度反应谱转化为需求谱曲线，按下式转化为ADRS谱曲线，如图3所示。

1.2.4性能点的确定

将能力谱曲线和某一水准地震的需求谱画在同一坐标系中，两曲线的交点即为性能点。性能点所对应的位移即为等效单自由度体系在该地震作用下的谱位移。通过性能点可由(1)式转换为原结构的顶点位移，根据该位移在原结构 - 曲线的位置，即可确定结构在该地震作用下的塑性铰分布、杆端截面的曲率、总侧移及层间侧移等，来综合检验结构的抗震能力。

若两曲线没有交点，说明结构的抗震能力不足，需要从新设计。

2.ETABS中的静力弹塑性分析

2.1 建立模型

在ETABS中输入设计地震参数、荷载、几何及材料信息;建立结构计算模型且进行各种荷载工况组合下的内力分析并配筋。建模时，梁柱用框架单元模拟，现浇板用壳单元模拟，外墙采用虚墙模拟。

2.2塑性铰

在ETABS当中给框架单元提供了弯矩铰(M3)、剪力铰(V2)、轴力铰(P)、压弯铰(PMM)四种塑性铰。假设框架柱的塑性铰出现在柱的两端，铰的类型为轴力和弯矩的耦合，一般定义压弯铰(PMM);框架梁塑性铰出现在梁的两端，铰的类型定义为弯矩铰(M3);塑性铰的本构关系如图4所示，力―位移曲线[2]如图5所示。

ATC―40将房屋遭受地震后，可能出现的状态主要分为IO(Immediate Occupancy)立即使用;LS(Life Safety)生命安全;CP(Collapse Prevention)防止倒塌等状态，并给出了在这几种相应状态下的塑性机制，其中A点总是原点;B点出现塑性铰，代表屈服。无论对点B指定何种变形值，在上升到点B之前塑性铰没有形成，无塑性变形，只有超过点B的塑性变形才会被显示;C点为倒塌点，代表pushover分析的极限承载力;D点代表pushover分析的残余强度;E点代表完全失效。IO，LS，CP在图中表示三种状态对应的性能点，且每个点的横坐标即为相应的弹塑性位移限制。

2.3侧向加载工况

ETABS中提供了三种侧向加载模式：自定义分布、模态荷载分布和均匀加速度分布。

事实上，任何一种侧向力分布模式都不可能反应结构的全部变形和受力要求。所以，应考虑使用两种以上的侧向荷载模式进行计算。本算例进行pushover分析所选用的两个侧向加载模式为：(1)重力+阵型1，相当于倒三角分布侧向荷载。(2)重力+y向加速度，相当于均匀分布侧向荷载。

2.4性能评价

经过静力弹塑性分析，得到性能点以后根据该点所对应的结构变形对下面两点进行评价：①层间位移角是否满足规范规定的弹塑性层间位移角限值的要求，性能曲线是否满足要求;②梁、柱等主要构件塑性铰的出铰情况是否满足“强柱弱梁”的要求。

3.实例分析

3.1工程概况

此结构为规则的8层框架结构，抗震设防烈为8度，设计分组为第三组，Ⅱ类场地土;其中底层层高4.5 ，其余层层高3.3 。楼面活荷载： / ;楼面恒荷载： / ;砼强度等级：C35;框架梁截面为0.3 0.6 和0.25 0.4 ，框架柱截面为0.65 0.65 ，现浇混凝土板厚为110 ，结构平面图如图6所示。

3.2 分析结果

利用ETABS对该结构进行各种工况下的分析后，得到结构的梁、柱构件的配筋结果，弹塑性层间位移角的限值均满足规范要求，本文主要研究该框架结构在8(0.2g)度地区，地震情况下的pushover分析。笔者将从推覆过程中出铰情况，结构性能等方面进行分析。

3.2.1 结构性能曲线

通过反复迭代计算可以得到两条谱的交点，即性能控制点，该点对应的结构状态若处于目标性能范围内，即可判断为达到了所设定的目标。得到的结构性能曲线如图7。

红线为需求谱，绿线为能力谱，两线交点即为性能点，图7中显示性能点处于能力谱的弹性阶段，说明该结构性能良好。

3.2.2 出铰情况分析

图8、9为两种加载工况下?轴推覆过程中塑性铰出铰情况，首先大部分塑性铰都出现在梁端上，随着侧向位移的加大，塑性铰从下往上， 出现在柱的端部。由此可以看出和抗震设计“强柱弱梁”的要求相吻合。

层间位移角是否满足规范规定的弹

4.结语

能力谱法是静力弹塑性pushover分析中常用方法之一，本文U述了静力弹塑性分析(pushover)方法的基本原理和如何在etabs中实现该方法，并结合ETABS对某8层框架结构进行了分析，表明，该方法具有结构操作简单、概念清晰的优点，通过对结构性能点处的位移、位移角的计算及对塑性铰的产生、发展的观察，并根据其判断结构的薄弱部位，综合评价结构的抗震性能，其缺点是：Pushover方法中施加在结构上的侧向分布力是等效静态荷载，且不同的侧向力分布方式对结构模型的计算结果会产生一定的影响;框架非线性塑性铰性质的自定义，还需要结合静力弹塑性分析原理做进一步改善。

参考文献

[1] Helmut Krawinkler SENEVIRATNA G D P K .pros and cons of push-over analysis of seismic performance evaluation[j]，Engineering Structures，，20;454-464.

[2] 北京金土木软件技术有限公司.中国建筑标准设计研究院.ETABS中文版使用指南[M].北京：中国建筑工业出版社，.

[3] GB50011―，建筑抗震规范[S].

[4] 薛彦涛、徐培福等.静力弹塑性分析(pushover)方法及工程应用.

基于位移的结构静力弹塑性分析方法的研究 篇2

我国的GB 50011-2001建筑抗震设计规范[1]和JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构技术规程[2]规定, 对于不规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时破坏的建筑结构以及较高的和较复杂的高层建筑结构, 宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。由于建筑结构不断增高, 结构体系和构造日益复杂, 结构抗震分析中完全采用弹性理论已难以满足要求, 弹塑性分析的方法也就显得越来越重要。历史上多次较大的震害也证明了结构弹塑性分析的必要性。

结构静力弹塑性分析法 (Static Push-Over Analysis, 简称POA法) 是近年来在国内外广泛应用的一种结构抗震分析方法, 主要用于对现有结构或结构设计方案进行抗震计算, 对这些结构或设计方案的抗震能力进行评价。它与过去的抗震静力计算方法的不同之处主要在于它将设计反应谱引入了计算过程。因为弹塑性时程分析对计算机软硬件和分析人员的要求较高, 工作量较大, 在一段时期内尚不容易成为一种被广泛采用的方法。

POA法的思路是:结合房屋结构的特点, 在结构上施加某种分布的水平力来模拟水平地震作用, 并逐渐增加水平力的大小使结构各构件依次进入塑性状态。随着愈来愈多的构件进入塑性状态后, 结构的力学特性会不断地发生变化, 因此又可以反过来调整水平力的大小和分布。上述过程交替进行, 一直到结构达到预定的破坏状态, 比如:结构成为机构或位移超限等。这种方法的优点在于:地震作用力的大小根据结构在不同工作阶段的周期由设计反应谱求得, 而其分布则根据结构的振型变化确定。和底部剪力法及振型分解反应谱法相比, 它考虑了结构的弹塑性性能;和时程分析法相比, 它输入数据简单, 概念、所需参数和计算结果相对明确, 工作量较小, 不受输入地震波等不确定性因素的影响, 可较真实地反映结构的非线性响应, 对构件设计和配筋合理性的直观判断都易于工程设计人员所接受。

由于在POA方法中将地震的动力作用近似等效为静力荷载, 因而求出的是结构在某种荷载作用下的性能, 就无法反映结构在某特定地震作用下的反应, 也无法反映在地震作用下结构产生的刚度退化和内力重分布等的影响。

1 分析步骤

1) 分析模型的建立。在进行有限元分析之前, 应根据结构特点, 首先建立合适的结构模型, 其中包括几何尺寸的确定、物理参数的选取以及结点和构件的编号等。结点编号和构件编号要符合分析软件的要求, 还要计算出作用在结构上的竖向和水平荷载。水平荷载的计算方法见步骤3) 。为进行弹塑性分析, 判断构件的状态, 还需要事先求出各个构件的塑性承载力大小。

2) 计算结构在竖向荷载作用下的内力。该内力要和水平力作用下的结构内力相叠加, 即用于荷载作用效应组合。

3) 施加水平荷载。水平荷载的施加位置为结构每层的质量中心处。对于规则的框架结构, 各层水平力之间的比例关系, 或水平力沿结构高度的分布规律, 可以按照底部剪力法确定, 也可参考文献[3]采用以下公式:

其中, Fi为楼层剪力;Wi为楼层重量;hi为楼层高度;Vb为基底剪力;n为结构的总层数。当结构的周期小于0.5 s时, 取k=1;当结构的周期大于2.5 s时, 取k=2;当结构的周期介于0.5 s～2.5 s时, k值按线性插值求得。在上述公式中, 如k=1, 就是《建筑抗震设计规范》中的底部剪力法公式, 水平力沿结构高度为倒三角形分布。在本步骤中, 确定水平力的大小时, 应使水平力产生的内力与第2) 步计算的内力叠加后, 恰好能使一个或一批构件同时进入受力状态的改变点, 比如:开裂或屈服。

4) 当构件开裂或屈服后, 应及时改变该构件在计算模型中的受力状态和参数。比如用塑性铰来反映构件进入塑性。根据构件开裂或屈服的截面位置, 将构件的一端或两端的刚结点变为铰结点。如在计算过程中, 柱子被压溃, 这时应将其取消。所以, 结构模型是在不断变化的, 每当有新的构件屈服后, 原结构就变成了一个新的结构。在求出新结构的自振周期后, 再在其上施加一定量的水平荷载。

5) 不断重复第4) 步, 直到结构的侧向位移达到预定的限值, 或结构塑性铰结点的数量过多而成为可变的机构。计算每一次结构由于新的塑性铰出现而形成新结构的周期, 并累计每一次施加的水平荷载。

6) 成果整理。将不同的结构自振周期及其对应的水平力总量与结构自重的比值 (即地震影响系数) 绘成曲线, 即得到结构的反应曲线, 同时和相应场地的各条反应谱曲线绘在一起, 如图1所示。这样, 如果结构反应曲线能够穿过某条反应谱, 就说明结构能够抵抗那条反应谱所对应的地震烈度。

分析比较表明, POA法在规则结构分析中能得到与时程分析法非常接近的结果。

2 静力弹塑性分析法的基本假定

1) 结构的反应和其等效的单自由度体系相关, 结构反应仅由结构的第一振型控制。2) 结构沿高度的变形由形状向量表示。在整个地震反应过程中, 不管结构的变形大小, 形状向量始终保持不变。POA程序采用的静力增量方程为:

其中, [Kp]为结构单元刚度矩阵, 它随着结构构件的弹塑性状态的改变而改变;{Δδ}为结构的位移向量增量;{ΔP}为结构的水平荷载增量。

在弹塑性分析中, 常用的水平荷载分布形式有:1) 矩形分布。此类分布适用于底层为薄弱层, 质量、刚度分布较均匀的结构。2) 倒三角形分布。此类分布适用于满足底部剪力法要求, 且塑性铰出现在梁上的结构。3) 抛物线分布。此类分布适用于反映结构在地震作用下的高振型影响。

3 可用于POA分析的软件

从上述可以看出, POA分析过程中, 需要软件能够根据构件端部的屈服状态将其某一端或两端变为铰结点, 对软件并没有其他特别的要求。同时需要注意的是构件出现塑性铰后, 在铰的两侧应作用一对大小相等、方向相反的截面极限弯矩。计算过程中的结构及荷载修改并施加的重复计算过程可由计算程序自动完成。参考文献:

摘要：指出在结构抗震分析中, 将结构静力弹塑性分析与地震反应谱结合起来的push-over法简单而有效, 近年来, 这种方法已在我国逐渐得到推广应用, 详细介绍了这种方法的原理和分析步骤。

关键词：push-over方法,静力弹塑性分析,反应谱,结构抗震

参考文献

[1]GB 50011-2001, 建筑抗震设计规范[S].

[2]JGJ 3-2002, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3]曹资, 朱志达.建筑抗震理论与设计方法[M].北京:北京工业大学出版社, 1998.

[4]周云.土木工程防灾减灾学[M].广州:华南理工大学出版社, 2002.

基于位移的结构静力弹塑性分析方法的研究 篇3

框架梁一般不宜搭在连梁上[1], 连梁是第一道防线, 是主要的耗能构件。剪力墙结构的破坏绝大多数是由于连梁的延性性能不好所引起的[2,3]。框架梁搭在连梁上时, 连梁产生扭矩, 一方面不能有效约束框架梁, 另一方面连梁受力十分不利。地震时有可能连梁先破坏, 如果框架梁搭在连梁上, 当连梁破坏后, 框架梁也会很危险。所以一般应该尽量避免框架梁搭在连梁上的情况。但是, 在现实的工程项目中, 有些情况下无法避免框架梁搭在连梁的问题。因此有人提出变截面连梁的解决方案, 所以弄清楚变截面连梁的性能很有必要。变截面连梁如图1 所示, 将搭框架梁的部分的连梁高度加大, 该部分称为加强段, 高度保持不变的连梁称为耗能段。通过改变加强段连梁的高度。当达到一定高度时, 使得塑性铰先出现在耗能段部分, 而加强段不出现塑性铰, 保证加强段所搭的框架梁不发生破坏。

1 计算模型

本工程为某框架核心筒结构, 建筑层数为26 层, 总高度为96. 3 m。第一层~ 第三层层高为4. 5 m, 其他层层高均为3. 6 m。本工程是丙类建筑, 抗震设防烈度为7 度, 设计基本加速度为0. 10g, 地震分组为第一组, 工程所在地区的地面粗糙类别为B类, 基本风压为0. 35 k N/m2, 建筑场地为Ⅱ类场地。建筑抗震等级为框架二级, 核心筒为二级, 按相应的抗震等级要求采取相应的抗震措施。框架柱的截面: 1 200 mm × 1 200 mm, 1 100 mm ×1 100 mm, 1 000 mm × 1 000 mm; 框架梁的截面: 300 mm ×600 mm, 200 mm × 500 mm, 200 mm × 600 mm, 400 mm × 900 mm, 变截面连梁的耗能段的截面为200 mm × 600 mm, 模型加强段的截面分别为200 mm ×600 mm ( CB0. 6) , 200 mm ×900 mm ( CB0. 9) , 200 mm × 1 200 mm ( CB1. 2) ; 核心筒内筒墙厚为200 mm, 外筒墙厚为350 mm, 楼板采用120 mm厚现浇钢筋混凝土板。本工程的混凝土为C35, 钢筋为HRB400。用Midas对结构进行静力弹塑性分析, 该方法本质是与反应谱相结合的静力非线性分析法[4]。

有限元建模过程如下:

1) 建立结构分析模型; 2 ) Pushover整体控制的输入; 3 ) Pushover荷载工况的输入; 4 ) 定义塑性铰; 5 ) 分配塑性铰; 6 ) 进行Pushover分析; 7) Pushover分析结果的查看。

2 计算结果及分析

2. 1 Sd—Sa曲线及部分结果

通过对结构进行能力谱法分析, 能够获得结构在Y方向侧向力的设防地震 ( 中震) 及罕遇地震 ( 大震) 作用下的能力谱—需求谱曲线, 如图2, 图3 所示分别为CB0. 6 结构在Y向侧向力作用下的中震、大震作用下的性能点位置。为了画图方便其他模型的能力谱—需求谱曲线不一一列出。

楼层—层间位移角图如图4 所示。Y方向的侧向荷载作用下, 模型在罕遇地震作用下性能点处的最大层间位移角, 均小于弹塑性位移角限值1 /100, 结构能符合“大震不倒”的抗震要求。

2. 2 塑性铰结果

在Y方向的侧向荷载作用下, 将?轴上的构件塑性铰分布图列出来。图5a) , 图5b) , 图5c) 分别表示模型CB0. 6, CB0. 9, CB1. 2 的Ⓑ轴上的构件塑性铰分布状态, 能够清楚的看到CB1. 2比CB0. 9 结构中出现塑性铰的梁的数量增加, 同时塑性铰的位置向更高层数转移。通过观测出现了塑性铰的变截面连梁, 发现模型CB0. 6, CB0. 9 的变截面连梁的加强段和耗能段均出现了塑性铰, 但在模型CB1. 2 中加强段仅出现了很少的塑性铰。

为了更清楚的观察变截面连梁的塑性铰分布, 将Ⓑ轴上第四层构件塑性铰分布图单独列出。图6a) , 图6b) , 图6c) 分别表示模型CB0. 6, CB0. 9, CB1. 2 的?轴上的构件塑性铰分布状态。根据塑性铰的变化趋势可以得到, 也许当变截面连梁的加强段达到一定的高度时, 加强段与剪力墙连为一个整体, 相当于“悬臂梁”。这样可以保证在设防地震作用下, 使得塑性铰先出现在耗能段部分, 而加强段不出现塑性铰, 保证加强段所搭的框架梁不发生破坏。

2. 3 结构部分变截面连梁的转角

为了弄清楚连梁加强段高度的增加, 对连梁转角的影响。因此, 查看结构Ⓑ轴上第四层连梁LL1 转角的变化。随着侧向荷载作用变化, 连梁LL1 加强段, 耗能段的转角变化趋势分别见图7, 图8。性能点处连梁的转角见表1 和图9, 图10。

CB1. 2 的连梁LL1 的加强段的转角, 随着侧向荷载的加载, 刚开始呈增长的趋势, 但后来增长的缓慢, 几乎没太多的变化。CB0. 6, CB0. 9 连梁LL1 的加强段转角, 随着侧向荷载的加载, 一直处于增长状态。但CB1. 2 连梁LL1 的耗能段的转角没有出现类似加强段增长缓慢的阶段。而CB0. 6, CB0. 9 连梁LL1 的耗能段的转角和加强段一样, 也一直处于增长状态。

在性能点处, 连梁LL1 的加强段及耗能段的转角, 随着连梁高度的增加, 均出现一定程度的减小。CB1. 2 和CB0. 6 相比, 连梁LL1 的耗能段的转角减幅为17. 7% ; 加强段的转角减幅为60. 97% 。显而易见, 加强段的转角比耗能段的减幅幅度更大。这是因为, 当变截面连梁的加强段达到一定的高度时, 加强段与剪力墙连为一个整体, 相当于“悬臂梁”。这样可以保证在设防地震作用下, 使得塑性铰先出现在耗能段部分。

3 结论和建议

1) 随着变截面连梁的加强段高度的增大, 结构中出现塑性铰的梁的数量增加, 同时塑性铰的位置向更高层数转移。对于本工程, 模型CB0. 6, CB0. 9 的变截面连梁的加强段和耗能段均出现了塑性铰, 但在模型CB1. 2 中加强段仅出现了很少的塑性铰。也许当变截面连梁的加强段达到一定的高度时, 加强段与剪力墙连为一个整体, 相当于“悬臂梁”。

2) 随着侧向荷载的加载, 当加强段高度不是太高时, 变截面连梁的加强段与耗能段的转角一直处于增大状态。而当加强段的高度达到一定的高度时, 加强段的转角出现了刚开始呈增长的趋势, 但后来增长的缓慢, 几乎没太多的变化的状态。而耗能段则一直处于增长的状态。

3) 由于实际生活的需要, 不可避免的出现了框架梁搭在连梁上的情形。为了防止出现连梁先破坏, 导致上面搭的框架梁发生破坏。可以考虑使用变截面连梁, 当变截面连梁的加强段达到一定的高度时, 加强段与剪力墙连为一个整体。这样可以保证在设防地震作用下, 使得塑性铰先出现在耗能段部分, 而加强段不出现塑性铰, 保证加强段所搭的框架梁不发生破坏。

参考文献

[1]JGJ 3—2010, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]张刚.钢板混凝土连梁抗震性能的试验研究[D].北京:清华大学硕士学位论文, 2005.

[3]高湛, 李华, 彭少民.高层建筑剪力墙连梁的设计与分析[J].国外建材科技, 2004, 25 (3) :125-127.

基于位移的结构静力弹塑性分析方法的研究 篇4

1 工程实例

本文提供的模型为某6层办公楼工程 (框架结构) , 层高均为3.8 m。框架柱截面均为600 mm×600 mm, 框梁截面尺寸根据其跨度的1/10~1/12来选取, 混凝土强度等级均为C30, 为了更精确的反映出框架梁柱节点的整体受力情况, 本文不考虑楼板对整体结构的贡献 (取楼板厚度为0) 。抗震设防烈度7度, 设计基本地震加速度值为0.15g, 设计地震分组为第2组, 场地类别Ⅲ类。采用CQC扭转藕联计算对地震进行分析, 周期折减系数取0.7。结构的平面布置及整体模型如图1, 图2所示。

2 计算分析

为了比较分析框架结构中变梁异型节点核芯区剪切变形对结构整体受力的影响, 本节将基于以上模型分别模拟以下两种情形:1) 考虑变梁异型梁柱节点核芯区剪切变形;2) 不考虑变梁异型梁柱节点核芯区剪切变形。对比结构在弹性阶段及弹塑性阶段, 框架变梁异型节点核芯区对结构的整体影响。

2.1 模型加载方案与边界条件假定

在地震作用下梁柱节点核芯区的变形是真实存在的, 故在模型分析时, 对节点核芯区做了如下处理:

1) 不考虑节点核芯区的剪切变形时, 指定梁端部刚域值, 将模型中所有节点核芯区域全部设定为刚域。2) 考虑节点核芯区的剪切变形时, 释放节点核芯区的刚域约束, 模拟在考虑地震作用时, 其节点的真实变形。

2.2 整体结构在弹性阶段对比分析

对结构在弹性阶段进行分析, 得出在地震作用下X, Y向各参数, 见表1。从表1数据可以看出, 整体结构在弹性阶段, 不考虑核芯区剪切变形时, X, Y向自振周期、位移均最小, 且楼层水平地震剪力最大, 这表明结构的整体刚度较大。考虑核芯区剪切变形时, 在X, Y向自振周期、位移相对较大, 且楼层水平地震剪力最小, 这表明结构的整体刚度较小。

2.3 整体结构在弹塑性阶段对比分析

本节对结构进行弹塑性静力整体分析, 主要研究整体结构在罕遇地震作用下, 在X, Y向分别施加水平地震作用, 侧向力采用模态加载方式进行PUSHOVER分析, 对比结构在进入弹塑性阶段时, 节点核芯区剪切变形对整体结构的影响。

1) 性能点。从软件的分析结果来看, 在各工况下能力谱曲线均能与需求谱曲线相交得到性能点, 说明结构具有良好的抗震性能, 且得到的能力谱曲线相对较平滑, 在中震下基本为弹性或少量出铰, 而大震下大部分工况结果已经进入塑性。其性能点处的各项参数见表2。

从表2分析可以看出, 在大震作用下, 考虑节点核芯区的变形时其楼层的弹塑性层间位移比不考虑节点核芯区的变形时相对较大, 说明结构在考虑变梁异型节点的剪切变形时, 其结构整体延性相对较好。

2) 塑性铰。在进行分析时, MIDAS/Gen有限元程序是通过塑性铰来实现结构的材料非线性, 采用集中塑性铰杆模型表示构件的弹塑性性能, 本文应用“屈服力和屈服位移”归一化法, 定义梁铰 (弯矩、剪力铰) 、柱铰 (PMM铰) 的“广义力—广义位移”曲线。通过PUSHOVER分析, 得出塑性铰所占比例, 见表3。

%

从表3中可以看出, 性能铰大部分处于IO~LS阶段, 表明结构已经进入屈服阶段, 且此阶段构件出现明显的裂缝。其中, 考虑节点核芯区变形的情况下, 塑性程度较浅, 表明结构刚进入塑性。当不考虑核芯区变形时, 有一部分塑性铰的发展程度已较深, 表明结构已发生局部倒塌。

3) 层剪力—位移曲线。对比在罕遇地震作用下, 不考虑核芯区变形与考虑核芯区变形下的层剪力—位移曲线, 见图3, 图4。

从图3, 图4可以看出:在X向考虑梁柱节点核芯区变形时, 其控制位移以及基底剪力均比不考虑梁柱节点核芯区变形时要大, 表明节点核芯区的变形对结构的整体抗震能力影响较大。

3 结语

本文采用有限元分析软件MIDAS, 对框架结构的变梁异型节点在是否考虑核芯区变形的问题上进行了对比分析。研究表明, 在罕遇地震作用下, 在不考虑变梁异型节点核芯区的变形时, 结构整体的刚度增大, 吸收地震作用也在增大, 对结构在地震下的损伤程度也在加剧。介于以上结论, 研究变梁异型节点核芯区在地震反复作用下的破坏机理是有实际意义的。

摘要：运用房屋建筑结构分析与设计软件MIDAS GEN, 模拟并对比了变梁异型节点核芯区是否剪切变形下结构整体的周期、位移、性能点、层间剪力、层间位移角等, 以此为依据提出了基于塑性铰理论下变梁异型节点的框架结构, 在罕遇地震时梁柱节点处刚域值改变时结构的整体性能评估体系, 研究表明:考虑框架结构的变梁异型节点核芯区的剪切变形, 其结果将直接影响结构的内力与变形, 同时对结构的整体抗震性能也产生较大的影响。

关键词：罕遇地震,框架结构,弹塑性静力分析,塑性铰,抗震性能

参考文献

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