基于性能的框架结构弹塑性分析研究.pdf

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1、基于性能的框架结构弹塑性分析研究邵平(中煤科工集团武汉设计研究院，湖北武汉430064)摘要：基于性能的结构设计方法是以结构抗震性能分析为基础的设计方法，本文介绍了常用的Pushover方法和能量谱法，讨论了P峭hover分析方法的基本思想和基本原理，并通过实际算例进行了验证。指出了基于性能的结构弹塑性分析过程中高振型的影响及目标位移的确定方法，对实际工程具有指导价值。关键词：性能；结构；Pushover；弹塑性中图分类号：TU3l文献标识码：B文章编号：1672—401l(2011)02—0007一02O前言基于性能的抗震设计思想是20世纪90年代初由美

2、国学者提出的，是以结构抗震性能分析为基础的设计方法⋯。根据建筑物的重要性和用途的不同及业主的特殊要求确定其性能指标，并根据不同的性能目标提出不同的抗震设防标准，使设计的建筑物在未来的地震中具备预期的性能。基于性能的抗震设计代表了未来结构抗震设计的发展方向【2J，对建筑结构进行基于性能的抗震设计具有重要的应用价值。1基于性能的设计方法对结构进行抗震计算是检验结构的抗震能力是否超过结构的抗震要求和评价结构地震作用下的“性能损失”的重要手段。结构的计算分析方法基本可以分为两类pj：弹性方法和弹塑性方法。按照地震的不同处理方式，又可分为等效静力分析与动力(时程)分

3、析。结构在小震作用下，处于弹性状态，主要由承载力控制，运用当前广泛采用的底部剪力法和振型分解反应谱法等就可以得到理想的结果，但是不能得到罕遇地震时结构的弹塑性反应。基于性能的抗震设计重点考虑的是结构在大震作用下进入弹塑性的状态，利用投资一效益准则，使建筑物在整个寿命周期内，在“一定的条件”下，花在抗震上的“费用”最少，即追求建筑物在服役期内的最佳经济效益。这里的“费用”是指增加抗震能力的投资和因地震灾害造成的损失，包括人员伤亡、经营中断、重复修建等；“一定的条件”是指所谓的功能目标。基于性能的抗震设计代表了未来结构抗震设计的发展方向，因此得到了越来越多的研

4、究。2Pushover分析方法Pushover分析方法(又叫推覆分析方法)是结构在侧向单调加载下的静力弹塑性分析⋯，即在结构分析模型上施加模拟地震水平惯性力作用的侧向力并逐渐单调加大，使结构从弹性阶段开始，经历开裂、屈服直至倒塌破坏。这样可以分析结构的内力、承载力、变形特性和能量耗散及相互关系，了解塑性铰出现的顺序和位置以及可能出现的薄弱环节等。Pushover分析方法可以对结构的整体抗震性能进行评估。Pushover分析方法¨3主要用于检验新设计的建筑结构和评估正在使用的建筑性能是否满足在不同强度地震作用下的设计性能目标。其主要用途包括：(1)结构行为分

5、析。得到结构构件弹性一开裂一屈服一弹塑性一承载力下降的全过程，出现塑性铰的先后顺序、塑性铰的分布和结构的薄弱环节等；(2)判断结构抗震承载能力；(3)建立结构整体位移与结构局部变形之间的关系；(4)用于弹塑性时程分析。PIlshover分析方法本质上是一种静力弹塑性分析方法，与以往的抗震静力计算方法不同之处主要在于它将设计反应谱引入了计算过程和计算成果的工程解释。其步骤是沿结构高度施加按一定形式分布的模拟地震作用的等效侧向力，并逐步增加侧向力的强度，使结构各构件由弹性工作状态逐步进入弹塑性工作状态，直到结构达到预定的破坏(成为机构或是达到目标位移)为止。静

6、力弹塑性PIlshover分析方法原理为’6-：(1)将结构简化为一个等效单自由度体系，计算在设防水准地震作用下的最大弹塑性位移，将其作为目标位移；(2)建立结构分析的二维或是三维模型；(3)将地震作用简化为倒三角形或与第一振型等效的水平荷载模式，并将其作用在结构的计算模型上；(4)运用荷载增量或以增量控制进行结构的非线性静力分析，直到结构顶点达到目标位移值；(5)在推覆过程中及时找出塑性铰并不断修改总刚矩阵；(6)达到目标位移时的结构内力和变形可作为结构的承载力和变形要求，依次求出构件的承载力和变形要求并与容许值比较，从而评估结构的抗震性能。3能力谱方法

7、目前主要的PIlshover分析方法主要有美国应用技术协会编制的《混凝土建筑抗震评估和修复》(A1℃一40)中所列的能力谱方法(CapacityspectmmMethod，csM)。建立能力曲线和需求曲线是能力谱法的关键，由于通常意义上的“谱”是以周期为横坐标的，所以准确地讲，“能力谱”和“需求谱”应该分别称之为“能力曲线”和“需求曲线”【7J。在结构上施加静力荷载，进行Pushover分析，直至倒塌或整体刚度矩阵detIkl

8、用一个不变的形状向量{毋}表示，这样就可以将原结构等效成一个单自由