彈塑性時程分析

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1、彈塑性時程分析方法將結(jié)構(gòu)作為彈塑性振動體系加以分析，直接按照地震波數(shù)據(jù)輸入地面運動，通過積分運算，求得在地面加速度隨時間變化期間內(nèi)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形隨時間變化的全過程，也稱為彈塑性直接動力法?；驹矶嘧杂啥润w系在地面運動作用下的振動方程為：式中、、分別為體系的水平位移、速度、加速度向量；為地面運動水平加速度，、、分別為體系的剛度矩陣、阻尼矩陣和質(zhì)量矩陣。將強震記錄下來的某水平分量加速度－時間曲線劃分為很小的時段，然后依次對各個時段通過振動方程進行直接積分，從而求出體系在各時刻的位移、速度和加速度，進而計算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。式中結(jié)構(gòu)整體的剛度矩陣、阻尼矩陣和質(zhì)量矩陣通過每個構(gòu)件所賦予的單元

2、和材料類型組裝形成。動力彈塑性分析中對于材料需要考慮包括：在往復(fù)循環(huán)加載下，混凝土及鋼材的滯回性能、混凝土從出現(xiàn)開裂直至完全壓碎退出工作全過程中的剛度退化、混凝土拉壓循環(huán)中強度恢復(fù)等大量非線性問題?；静襟E彈塑性動力分析包括以下幾個步驟：(1)建立結(jié)構(gòu)的幾何模型并劃分網(wǎng)格；(2)定義材料的本構(gòu)關(guān)系，通過對各個構(gòu)件指定相應(yīng)的單元類型和材料類型確定結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣；(3)輸入適合本場地的地震波并定義模型的邊界條件，開始計算；(4)計算完成后，對結(jié)果數(shù)據(jù)進行處理，對結(jié)構(gòu)整體的可靠度做出評估。計算模型在常用的商業(yè)有限元軟件中，ABAQUS、ADINA、ANSYS、MSC.MARC都

3、內(nèi)置了混凝土的本構(gòu)模型，并提供了豐富的單元類型及相應(yīng)的前后處理功能。在這些程序中一般都有專用的鋼筋模型，可以建立組合式或整體式鋼筋。以ABAQUS為例，它提供了混凝土彈塑性斷裂和混凝土損傷模型以及鋼筋單元。其中彈塑性斷裂和損傷的混凝土模型非常適合于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動力彈塑性分析。它的主要優(yōu)點有：(1)應(yīng)用范圍廣泛，可以使用在梁單元、殼單元和實體單元等各種單元類型中，并與鋼筋單元共同工作；(2)可以準(zhǔn)確模擬混凝土結(jié)構(gòu)在單調(diào)加載、循環(huán)加載和動力荷載下的響應(yīng)，并且可以考慮應(yīng)變速率的影響；(3)引入了損傷指標(biāo)的概念，可以對混凝土的彈性剛度矩陣進行折減，可以模擬混凝土的剛度隨著損傷增加而降低的

4、特點；(4)將非關(guān)聯(lián)硬化引入到了混凝土彈塑性本構(gòu)模型中，可以更好的模擬混凝土的受壓彈塑性行為，可以人為指定混凝土的拉伸強化曲線，從而更好的模擬開裂截面之間混凝土和鋼筋共同作用的情況；(5)可以人為的控制裂縫閉合前后的行為，更好的模擬反復(fù)荷載作用下混凝土的反應(yīng)。對于鋼材等材料的屈服和強化，ABAQUS提供了各種屈服準(zhǔn)則，流動法則和強化準(zhǔn)則，并可以考慮加載時的應(yīng)變速率等問題。在ABAQUS的后處理模塊中，可以給出整個模型在地震作用下每個時刻的結(jié)構(gòu)變形形態(tài)、應(yīng)力等相關(guān)數(shù)據(jù)，可以查看結(jié)構(gòu)所有混凝土單元的損傷、混凝土中分布的鋼筋應(yīng)力等，了解結(jié)構(gòu)的破壞情況，也可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的總側(cè)移量和層間位移等控

5、制指標(biāo)對結(jié)構(gòu)進行整體的判定分析。優(yōu)缺點相比彈性分析中的振型分解反應(yīng)譜法和POA方法，彈塑性時程分析方法的優(yōu)點是：(1)由于輸入的是地震波的整個過程，可以真實反映各個時刻地震作用引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，包括變形、應(yīng)力、損傷形態(tài)（開裂和破壞）等；(2)目前許多程序是通過定義材料的本構(gòu)關(guān)系來考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性性能，因此可以準(zhǔn)確模擬任何結(jié)構(gòu)，計算模型簡化較少；(3)該方法基于塑性區(qū)的概念，相比POA中單一的塑性鉸判別法，特別是對于帶剪力墻的結(jié)構(gòu)，結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。該方法的缺點是：(1)計算量大，運算時間長，由于可進行此類分析的大型通用有限元分析軟件均不是面向設(shè)計的，因此軟件的使用相對復(fù)雜，建模工作量大

6、，數(shù)據(jù)前后處理繁瑣，不如設(shè)計軟件簡單、直觀；(2)分析中需要用到大量有限元、鋼筋混凝土本構(gòu)關(guān)系、損傷模型等相關(guān)理論知識，對計算人員要求較高。但是隨著理論研究的不斷發(fā)展，計算機軟硬件水平的不斷提高，動力彈塑性時程分析方法已經(jīng)開始應(yīng)用于少數(shù)超高層和復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)分析中。4工程應(yīng)用東莞臺商會館大樓位于廣東省東莞市中心區(qū)，由一棟68層超高層辦公公寓樓（主樓）和一棟十層商業(yè)辦公樓（副樓）組成（見圖3），主樓與副樓之間采用防震縫分開。主樓總高度為289m，屬于超過《高規(guī)》規(guī)定的B級高度的超限高層。該樓為鋼框架混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，采用鋼管混凝土柱，鋼－混凝土組合樓板。結(jié)合建筑的避難層，在23、38、

7、54及64層設(shè)置了四個加強層。加強層沿核心筒Y向剪力墻布置四道伸臂桁架，并沿外框架柱一周布置帶狀桁架。圖3東莞臺商會館大樓該結(jié)構(gòu)高度較高，周期較長，受高階振型影響明顯，而且核心筒剪力墻的是否安全可靠是整個分析的重點，因此POA方法并不適用于本案。經(jīng)過比較，最終采用大型通用有限元軟件ABAQUS進行了動力彈塑性時程分析，單次計算時間為7.5天。計算選取EL-CENTRO波和場地波進行計算，加速度峰值均為163gal，地震波持時30秒。之前該結(jié)構(gòu)采用ETABS