靜力彈塑性分析原理

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1、第4章靜力彈塑性分析原理4.1概要4.1.1非線性分析的目的非線性抗震分析方法可分為非線性靜力分析方法和非線性動(dòng)力分析方法。非線性動(dòng)力分析方法可以認(rèn)為是比較準(zhǔn)確的方法，但是因?yàn)榉治鰰r(shí)間較長(zhǎng)并對(duì)技術(shù)人員理論水準(zhǔn)有較高的要求，所以在實(shí)際工程上的普及應(yīng)用受到了限制。相反靜力分析方法雖然在反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性方面有所不足，但是因?yàn)橛?jì)算效率較高和操作簡(jiǎn)單、理論概念清晰等原因被廣大設(shè)計(jì)人員所普遍使用。靜力彈塑性分析又被稱為Pushover分析，是基于性能的抗震設(shè)計(jì)(Performance-BasedSeismicDesign,PBSD)中最具代表性的分析方法。所謂基于性能的抗震設(shè)計(jì)是以某種目標(biāo)性能(ta

2、rgetperformance)為設(shè)計(jì)控制目標(biāo)，而不是單純的滿足規(guī)范要求的極限承載能力的設(shè)計(jì)方法。其步驟是先按照規(guī)范要求進(jìn)行抗震分析和構(gòu)件設(shè)計(jì)，然后通過Pushover分析獲得結(jié)構(gòu)的極限承載能力，最后通過非線性位移結(jié)果評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)是否滿足目標(biāo)性能要求。目前規(guī)范中推薦的基底剪力法和反應(yīng)譜分析方法均為彈性分析方法，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是地震作用下的抗力不小于地震作用下產(chǎn)生的內(nèi)力，這些方法也被稱為基于荷載的設(shè)計(jì)方法。而基于性能的設(shè)計(jì)方法則是使用與結(jié)構(gòu)損傷直接相關(guān)的位移來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的變形能力(耗能能力)，所以又被稱為基于位移的設(shè)計(jì)(displacement-baseddesign)方法。通過Pushover分析

3、可得如圖4.1.1所示的荷載-位移關(guān)系曲線(能力譜)，根據(jù)結(jié)構(gòu)耗能情況可得到非線性需求譜。能力譜與需求譜的交點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)對(duì)于地震作用的性能點(diǎn)(performancepoint)。性能點(diǎn)意味著結(jié)構(gòu)對(duì)于地震作用所擁有的最大的非線性承載力和最大位移，該點(diǎn)在控制目標(biāo)性能范圍內(nèi)則表示該結(jié)構(gòu)滿足了性能要求。通過非線性分析可以了解結(jié)構(gòu)具有的的極限承載能力和安全度。圖4.1.1基于位移設(shè)計(jì)法的結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)4.1.2靜力彈塑性分析的抗震設(shè)計(jì)原理基于性能的抗震分析方法有下列四種。?線性靜力分析法(LinearStaticProcedure,LSP)?線性動(dòng)力分析法(LinearDynamicProcedu

4、re,LDP)?非線性靜力分析法(NonlinearStaticProcedure,NSP)?非線性動(dòng)力分析法(NonlinearDynamicProcedure,NDP)其中Pushover分析方法屬于非線性靜力分析法，又被稱為塑性鉸分析法。該分析方法主要被應(yīng)用于受高階振型和動(dòng)力特性影響較小的結(jié)構(gòu)。Pushover分析就是按照指定的加載模式逐漸加載至控制目標(biāo)并獲得結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線(capacitycurve)，然后將其轉(zhuǎn)換為單自由度體系的加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)的能力譜，同時(shí)將加速度-周期格式的加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換為加速度-位移格式(ADRS，Acceleration-Displaceme

5、ntResponseSpectrum)的需求譜(demandspectrum)，將需求譜和能力譜反映在同一個(gè)坐標(biāo)系中，兩條譜曲線的交點(diǎn)(性能點(diǎn))就是滿足該水準(zhǔn)地震作用的極限承載能力和變形能力點(diǎn)。因此可通過定義不同的需求譜(小震、中震、大震)，通過驗(yàn)算不同性能水準(zhǔn)下的承載力和變形，實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的三水準(zhǔn)(performancelevel)抗震設(shè)計(jì)原則。結(jié)構(gòu)大師中使用了ATC-40(1996)和FEMA-273(1997)等報(bào)告中的能力譜法(CapacitySpectrumMethod,CSM)和推薦的參數(shù)對(duì)構(gòu)件的抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。能力譜法的原理如圖4.1.2所示。(a

6、)結(jié)構(gòu)的能力曲線(capacitycurve)和能力譜(capacityspectrum)(b)需求譜(demandspectrum)(c)性能點(diǎn)(performancepoint)圖4.1.2能力譜法(CapacitySpectrumMethod,CSM)Pushover分析的目的是要了解結(jié)構(gòu)具有的承載能力和變形能力，鋼筋砼結(jié)構(gòu)在進(jìn)行Pushover分析前必須先進(jìn)行線彈性分析和構(gòu)件設(shè)計(jì)以獲得結(jié)構(gòu)的配筋結(jié)果。然后才能進(jìn)一步進(jìn)行非線性分析。Pushover分析的優(yōu)點(diǎn)如下：?可獲得結(jié)構(gòu)屈服后的響應(yīng)和極限承載能力?可獲得結(jié)構(gòu)耗能能力和位移需求?可獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出鉸順序?在維修加固工程中事先了解

7、需要加固的構(gòu)件4.1.3靜力彈塑性分析方法如下圖4.1.3所示，結(jié)構(gòu)在橫向荷載作用的初期處于彈性狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)力超過構(gòu)件的開裂或屈服內(nèi)力時(shí)部分構(gòu)件將發(fā)生開裂或屈服，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼都將發(fā)生變化，荷載和位移的相關(guān)關(guān)系顯示非線性特性。由彈性進(jìn)入屈服階段的點(diǎn)A被稱為彈性極限，部分構(gòu)件屈服后隨著荷載的增加結(jié)構(gòu)的位移會(huì)顯著增加，到達(dá)B點(diǎn)后較小的外力增量也會(huì)發(fā)生較大的位移，最后在C點(diǎn)后即使不再增加外力位移也會(huì)增加，C點(diǎn)被稱為極限承載能力點(diǎn)。圖