高层结构推覆分析方法及试验验证

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1、第十七届全国高层建筑结构学术会议论文2002高层结构推覆分析方法及试验验证朱杰江1吕西林1容柏生2同济大学土木工程舫灾国家重点实验室．上海2000922广东省建筑设计院．r州510600提要本文对钢筋混凝土高层结构三维非线性推覆分析研究，并编制了相应的分析程序。程序中考虑了多种单元类型以满足复杂体型高层建筑的要求，非线性求解算法采用修正的柱面弧长法。算例分析表明：该方法与试验结果较为吻合．能够搜索到结构反应的Newton-Raphson方法和全过程，甚至结构的下降段。关键词推覆分析，高层结构，非线性剪切弹簧1前言二十世纪末，在美国和日

2、本的地震工程界，广泛开展了对基于结构性能的地震工程的理论及实用性的研究和讨论【“】【8】f”。基于结构性能的地震工程(包括与房屋技计和建造有关的所有工程任务)，其目的是使建筑结构在未来地震中具备预期的功能。在美国，有联邦紧急救援署(FEMA)和国家科学基金会(NSF)资助开展了一项为期6年的行动计划，对未来的抗震设计规范进行了多方面的基础性研究工作。目前国际上普遍采用的推覆(push．over)分析方法比较符合基于结构性能的抗震设计理念。推覆分析方法实际上是一种弹塑性静力分析方法。这种方法主要是针对弹塑性动力时程分析方法的一些缺点而提

3、出来的。采用弹塑性动力时程法不可避免地会在地震动参数估计、材料的恢复力特性等方面引入不确定性，同时它耗时多、计算昂贵、结果数据量大，很难用于实用的目的。因此在现阶段非线性推覆分析被认为是切实可行的基于性能抗震没计的分析方法。为了满足复杂体型高层建筑的抗震设计需要，开展了钢筋混凝土高层结构三维非线性推覆分析研究，并编制了三维推覆分析程序。为了验证此程序的可靠性，本文进行了一个结构足尺试验模型的计算分析，并将理论分析与试验结果进行对比研究。2力学模型及计算方法本文编制的程序能对混凝土结构、钢结构、钢一混凝土组合结构进行非线性推覆分析(包括

4、材料和几何非线性)。由于高层建筑的特点，本程序设置了多种单元类型：1．梁柱单元(不考虑剪切变形)。2．单片墙单元(在梁柱单元的基础上增加双线性剪切弹簧)。来杰江，男．19636出生．搏t后．副教授一524—第十七届全国高层建筑结构学术会议论文20023三垂直杆墙单元。4．简体墙单元(在单片墙或三垂直杆墙单元的基础上考虑墙墙交界处位移连续条件)。程序采用了修正的Newton．Raphson方法和柱面弧长法。当刚度参数(反映结构非线性开展的程度，弹性时该参数为1)小于某一个数值时采用弧长法，否则用Newton+Raphson方法。这样既能

5、减少计算时间，又能保证搜索到结构反应的全过程，甚至结构的下降段。现代高层建筑有时体型相当复杂，楼板可能局部缺失或开有大洞口，这时就不宜采用楼盖刚度无穷大的假定，为此本程序考虑了楼盖弹性变形的影响，楼板采用带转角自由度的三节点三角形单元。推覆分析所需的侧向荷载沿竖向的分布模式可以采用以卜两种方式：1人为指定。2根据振型分解反应谱法计算。2．1有限元模型2．11梁柱单元梁或柱可以离散为许多个粱柱单元，虽然单元与单元之间的梁或柱的截面尺寸可以不一致，但是同一个单元内部具有不变的截面形状。单元截面在所有荷载阶段符合平截面假定，并且不考虑剪切变

6、形，当单元的长高比较大时，这样的假定具有足够的精度。梁柱单元主要计算工作量在于单元的截面分析，也就是要计算出截面内力和应变之间的关系，即截面的刚度矩阵。对于比较规则的截面可采用条带法，但对于任意截面此法的计算工作量很大，本文提出的截面分析方法，采用高斯数值积分法对横截面积分，算出截面刚度矩阵，这种方法尤其适合不规则截面刚度系数的计算．由于截面高斯积分点数远远小于条带法中的条带数，因此它的计算工作量能大大减少，这对于一个结构的分析尤为重要。2．1．2单片墙单元本文采用的梁柱单元实际上是BemouUi粱模型，它仅考虑轴向和弯曲变形，单元横

7、截面符合平截面假定。文献【1I认为，Bemoulli梁模型能够用来模拟刚臂或墙的轴向和弯曲变形部分。为了真正模拟刚臂或墙的性能，应在梁柱单元中增加非线性剪切弹簧，从而形成刚臂、墙单元，如图1所示。给定剪力Q一剪切角y的关系曲线，它沿着墙高而变化。根据虚功原理，能够得到：^I比=fr(O)dz=^肛告(1)0式中，f=二。h对方程(1)进行数值积分可得如下形式Ws=^∑A，y(Q(彻=∑Awl=l扣l式中，n为积分点数；A；为权重因子。为了使问题简化，假定剪切变形沿墙单元长度方向不变，上式可以写为w=hy(2)(3)一525—兰±兰旦全

8、里壹星蕉簦丝塑兰查盒望丝塞!塑!——这样，剪切弹簧的位置并不影响计算结果。q-S-。S!剪切变形囝I单片培数学模型2．1．3三垂直杆墙单元它将一个墙单元理想化为三个垂直、一个剪切和一个弯曲弹簧，见图2所示。三个垂直杆的顶