结构静力弹塑性研究方法探究

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1、结构静力弹塑性研究方法探究　　摘要：在基于性能/位移的抗震设计研究中，静力弹塑性分析作为一种结构弹塑性分析方法越来越受到关注。本文对静力弹塑性分析方法的原理假定、实施步骤，以及水平荷载的分布模式、目标位移的计算方法做了深入的研究，并给出了该方法的特点及今后的发展方向。关键词:静力弹塑性分析性能设计目标位移中图分类号：O344.3文章编号：1前言近期世界上几次强烈地震表明，现行的以保证生命安全为一级设计准则的抗震设计理念在避免建筑出现造成人员伤亡的破坏方面确实具有一定的可靠度，但却不能在强烈地震或中等强度地震中有效地控制地震造成的经济损失。比如：1

2、989年10月美国加州洛马普里埃塔（Loma13Prieta）7.1级地震造成的经济损失达70亿美元，1994年1月美国加州北岭（Northridge）6.9级地震所造成的经济损失达300亿美元，1995年1月日本神户7.2级地震造成的经济损失则高达1000亿美元，1999年9月我国台湾省南投县集集大地震也造成了3766亿新台币的经济损失。无疑，随着社会经济的发展和城市信息化水平的提高，现行的抗震设计理念在减少地震损失方面将越来越显得力不从心。基于对上述问题的深刻反思，美国学者在90年代初期率先提出了基于结构性能的抗震设计理论（Performan

3、ceBasedSeismicDesign,PBSD）,并在政府的资助下启动了许多相关的研究项目[1、2、3]。随后，基于结构性能的抗震设计理论很快得到了日本和拉美等多地震国家的地震工程界的广泛认同，并逐步引起来我国地震工程界的注意。文献[4]建议中国21世纪的抗震设计规范应顺应国际发展的趋势，结合我国的国情展开研究。可以肯定的说，基于结构性能的抗震设计理念是二十一世纪世界各国建筑抗震设计规范修订的主要理论依据。因此，基于性能抗震设计理论的实用化研究是目前地震工程界的重要研究课题。13基于结构性能抗震设计理论是从基于结构位移设计理论基础上发展而来的

4、。二十世纪90年代初期，美国加州大学Berkley分校的J.P.Moehle提出了基于位移的抗震设计理论[1],主张改进当前基于承载力的设计方法，这一全新概念的结构抗震设计方法最早应用于桥梁设计中并取得了一定的成果：他提出基于位移的抗震设计要求进行定量分析，使结构的塑性变形能力能满足在预定的地震作用下的变形要求，即控制结构在大震作用下的层间位移角限值；Moehle设计方法的核心思想是从总体上控制结构的位移和层间位移水准。这种用量化的位移设计指标来控制结构抗震性能的设计方法，比现行的抗震设计方法中强调的概念设计前进了一大步。作为一种较简单的弹塑性分

5、析方法——静力弹塑性分析（Pushoveranalysis），是在结构上施加竖向荷载并保持不变，同时施加某种分布的水平荷载，该水平荷载单调增加，构件逐步屈服，从而得到结构在横向静力作用下的弹塑性性能。静力弹塑性分析不是新方法，但在研究基于性能/位移抗震设计理论和方法中受到关注，是实现基于性能/位移抗震设计方法的关键之一。2静力弹塑性分析方法的基本假定和实施步骤2.1基本假定静力弹塑性分析方法没有严密的理论基础，其两个基本假定：（1）假定结构（实际工程中一般为多自由度体系MDOF）的地震反应与某一等效的单自由度体系SDOF相关，这就意味着结构的地震

6、反应仅由第一振型控制。（2）结构沿高度的变形形状可由形状向量{φ}表示，这就意味着在整个地震反应中，不管结构的变形大小，变形形状不变，即形状向量{φ}保持不变。尽管上述两个假定在理论上不完全正确，但已有的研究[10]、[11]表明：对于响应以第一振型为主的结构最大地震反应，静力弹塑性分析方法可以得到合理的估计。实施步骤13传统的静力弹塑性分析的实施步骤为：（1）准备结构数据：包括建立结构模型、构件的物理参数和恢复力模型等；（2）计算结构在竖向荷载作用下的内力（将与水平力作用下的内力叠加，作为某一级水平力作用下构件的内力，以判断构件是否开裂或屈服）

7、；（3）在结构每层的质量中心处，施加沿高度某种分布的水平荷载。施加水平力的大小的确定原则是：水平力产生的内力与（2）步计算的内力叠加后，恰好使一个或一批构件开裂或屈服；（4）对于开裂或屈服的杆件，对其刚度进行修改后，再增加一级荷载，又使得一个和一批杆件开裂或屈服；（5）不断重复（3）、（4）步，直到结构达到某一目标位移，或结构发生破坏。3水平力分布模式对一般的建筑，用于静力弹塑性分析的水平侧向力分布模式主要有以下几种形式：（1）均匀分布这种方法假定水平侧向力沿建筑物的高度为均匀分布，因此每一楼层水平力的增量可由下式计算：（1）13式中为结构基底剪

8、力的增量；n为建筑物的总层数。（2）倒三角形分布这是目前国内外大多抗震规范中采用的侧向力分布形式，即假定水平侧向力沿建筑物的高度为倒三角