塑性铰模型对混凝土框架结构动力弹塑性分析的影响

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1、广东建材2013年第5期工程试验与研究塑性铰模型对混凝土框架结构动力弹塑性分析的影响苏键(广州穗监工程质量安全检测中心)摘要：建筑结构在遭遇罕遇大震时，部分结构构件将进入塑性状态。对结构进行弹塑性分析可以更好地掌握建筑结构在大震下的动力响应特性。基于SAP2000软件，分别采用该软件提供的默认塑性铰单元和弹塑性计算用的塑性连接单元，建立混凝土框架结构的弹塑性动力计算模型，输入折线时程曲线和地震记录曲线，进行弹塑性动力时程分析。结果表明，采用刚塑性滞回模型的默认塑性铰单元计算得到的结构加速度响应比采用弹塑性滞回环模型的

2、要低，在使用程序默认塑性铰单元作动力弹塑性时程分析时需要注意考虑该现象对结果的影响。关键词：塑性铰；塑性连接单元：地震响应：动力弹塑性分析；SAP20001前言建筑结构的抗震设防目标是．，J、震不坏，中震可修，大震不倒。抗震规范Ⅲ第3．6．2条规定：“不规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时严重破坏的建筑结构，应按本规范有关规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。此时，可根据结构特性采用静力弹塑性分析或弹塑性时程分析方法。”结构在遭遇罕遇大震时，将进入塑性状态。因此对结构进行准确的弹塑性分析并掌握建筑结构在大震下的响应

3、特性，才能保证建筑结构大震不倒的设计要求。对框架结构进行动力弹塑性时程分析，需要根据构件的材料、截面形式、配筋情况以及受力状态，逐个对梁柱构件定义其塑性铰模型。在指定完框架的梁柱单元的塑性铰后，定义弹塑性时程分析工况并进行时程分析，工作量十分巨大。目前工程界使用的一些结构分析软件也加入了弹塑性时程分析的功能，如SAP2000，PERFORM等，运用它可以节省工作量，提高工作效率。其中，现在使用较为普遍的SAP2000提供了两种建立弹塑性计算模型的方法[2]，分别是塑性铰单元法和塑性连接单元法。塑性铰单元采用的是刚塑性

4、滞回模型，塑性连接单元采用的是弹塑性滞回模型。关于钢筋混凝土构件的本构关系和滞回模型，前人做了大量研究工作[3-6]。金子佳生等[71为得到框架结构梁塑性铰的滞回模型，对一梁节点(图1)进行试验。图2为试验所得塑性铰滞回曲线与有限元分析的损伤模型(模型1)和弹塑性模型(模型2)。从图中可以看到，采用弹塑性模型可以比较好的模誊[蚓图1试验构件一●赛■獬一一．-簟叠1一——曩皇2：?÷?一澎移。转角一“图2实验与模拟分析滞回曲线拟塑性铰的滞回特性。预测结构在大震作用下的响应，需要合理选用塑性铰模型。本文在对比这两种建模方

5、法的基础上，采用弹塑性时程分析法，研究SAP2000矩形刚塑性滞回环模型与弹塑性滞回模型对结构响应的影响。2塑性铰模型2．1塑性铰单元SAP2000程序中的塑性铰单元模型[2]，有由用户自定义骨架曲线的塑性铰单元模型和由程序根据构件的一45一O。i罨藿mq工程试验与研究广东建材2013年第5期属性自动生成的默认塑性铰单元模型。基于FEMA356的默认塑性铰属性，分为脆性铰和延性铰，共有六类默认铰属性，即轴力铰、剪力铰、弯矩铰、扭矩铰、轴力弯矩铰和纤维铰。在结构模型中指定默认的塑性铰时，程序会自动对每一个塑性铰创建一个

6、骨架曲线，并将其内建默认的属性准则与针对每个单元的截面属性相结合，产生最终的塑性铰属性。这样，不必定义每一个塑性铰，从而大大减少了定义塑性铰属性的工作量。SAP2000中通过离散铰来考虑结构的弹塑性行为，允许使用非耦合弯矩、扭矩、轴力和剪力的离散铰，还有基于在铰位置轴力弯矩相互作用的P-M2-M3耦合铰。图3为程序中基于FEMA356提出的折线骨架曲线模型，骨架上IO(立即使用)、LS(生命安全)、CP(倒塌预防)分别是不同承载性能的状态。力图3FEMA356折线骨架曲线在SAP2000中默认的框架塑性铰是刚塑性的，

7、即塑性铰由刚性和塑性两个阶段组成，不存在弹性的阶段。由于没有弹性属性，塑性铰在屈服之前无论是卸载状态还是重新加载状态，塑性铰内部都不会发生任何变形，所有弹性变形均发生在框架单元中。当塑性铰屈服以后，塑性铰内部将发生塑性变形，并且在卸载时沿着平行于Y轴的直线卸载。当进行动力弹塑性分析时，由于动力荷载一般体现出一定的周期性，因此塑性铰将出现加载和卸载的反复作用，如果塑性铰在这些反复作用过程中没有达到屈服，则塑性铰不会发生任何变形，也不会产生耗能：当作用的幅值足够大时，塑性铰将达到屈服，而进入塑性变形状态。2．2塑性连接单

8、元为了模拟构件的塑性特性行为，SAP2000提供了多段折线弹塑性连接单元‘z

9、。对连接单元各个自由度的力一变形特性进行定义时，需要定义骨架曲线和选择滞回规则。骨架曲线通过一系列的力一变形的关系曲线来定义。程序提供了三种滞回规则模型：随动硬化(Kine—matic)模型、Takeda模型和枢纽点(Pivot)模型。其中，随动硬化(Kinemati