静力弹塑性分析原理.doc

/NUMPAGES17第4章静力弹塑性分析原理4.1概要4.1.1非线性分析的目的非线性抗震分析方法可分为非线性静力分析方法和非线性动力分析方法。非线性动力分析方法可以认为是比较准确的方法，但是因为分析时间较长并对技术人员理论水准有较高的要求，所以在实际工程上的普及应用受到了限制。相反静力分析方法虽然在反映结构动力特性方面有所不足，但是因为计算效率较高和操作简单、理论概念清晰等原因被广大设计人员所普遍使用。静力弹塑性分析又被称为Pushover分析，是基于性能的抗震设计(Performance-BasedSeismicDesign,PBSD)中最具代表性的分析方法。所谓基于性能的抗震设计是以某种目标性能(targetperformance)为设计控制目标，而不是单纯的满足规范要求的极限承载能力的设计方法。其步骤是先按照规范要求进行抗震分析和构件设计，然后通过Pushover分析获得结构的极限承载能力，最后通过非线性位移结果评价结构是否满足目标性能要求。目前规范中推荐的基底剪力法和反应谱分析方法均为弹性分析方法，其评价标准是地震作用下的抗力不小于地震作用下产生的内力，这些方法也被称为基于荷载的设计方法。而基于性能的设计方法则是使用与结构损伤直接相关的位移来评价结构的变形能力(耗能能力)，所以又被称为基于位移的设计(displacement-baseddesign)方法。通过Pushover分析可得如图4.1.1所示的荷载-位移关系曲线(能力谱)，根据结构耗能情况可得到非线性需求谱。能力谱与需求谱的交点就是结构对于地震作用的性能点(performancepoint)。性能点意味着结构对于地震作用所拥有的最大的非线性承载力和最大位移，该点在控制目标性能范围内则表示该结构满足了性能要求。通过非线性分析可以了解结构具有的的极限承载能力和安全度。图4.1.1基于位移设计法的结构抗震性能评价4.1.2静力弹塑性分析的抗震设计原理基于性能的抗震分析方法有下列四种。线性静力分析法(LinearStaticProcedure,LSP)线性动力分析法(LinearDynamicProcedure,LDP)非线性静力分析法(NonlinearStaticProcedure,NSP)非线性动力分析法(NonlinearDynamicProcedure,NDP)其中Pushover分析方法属于非线性静力分析法，又被称为塑性铰分析法。该分析方法主要被应用于受高阶振型和动力特性影响较小的结构。Pushover分析就是按照指定的加载模式逐渐加载至控制目标并获得结构的荷载-位移曲线(capacitycurve)，然后将其转换为单自由度体系的加速度响应和位移响应的能力谱，同时将加速度-周期格式的加速度反应谱转换为加速度-位移格式(ADRS，Acceleration-DisplacementResponseSpectrum)的需求谱(demandspectrum)，将需求谱和能力谱反映在同一个坐标系中，两条谱曲线的交点(性能点)就是满足该水准地震作用的极限承载能力和变形能力点。因此可通过定义不同的需求谱(小震、中震、大震)，通过验算不同性能水准下的承载力和变形，实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准(performancelevel)抗震设计原则。结构大师中使用了ATC-40(1996)和FEMA-273(1997)等报告中的能力谱法(CapacitySpectrumMethod,CSM)和推荐的参数对构件的抗震性能进行评价。能力谱法的原理如图4.1.2所示。(a)结构的能力曲线(capacitycurve)和能力谱(capacityspectrum)(b)需求谱(demandspectrum)(c)性能点(performancepoint)图4.1.2能力谱法(CapacitySpectrumMethod,CSM)Pushover分析的目的是要了解结构具有的承载能力和变形能力，钢筋砼结构在进行Pushover分析前必须先进行线弹性分析和构件设计以获得结构的配筋结果。然后才能进一步进行非线性分析。Pushover分析的优点如下：可获得结构屈服后的响应和极限承载能力可获得结构耗能能力和位移需求可获得结构构件的出铰顺序在维修加固工程中事先了解需要加固的构件4.1.3静力弹塑性分析方法如下图4.1.3所示，结构在横向荷载作用的初期处于弹性状态，当内力超过构件的开裂或屈服内力时部分构件将发生开裂或屈服，构件和结构的刚度和阻尼都将发生变化，荷载和位移的相关关系显示非线性特性。由弹性进入屈服阶段的点A被称为弹性极限，部分构件屈服后随着荷载的增加结构的位移会显著增加，到达B点后较小的外力增量也会发生较大的位移，最后在C点后即使不再增加