预应力混凝土框架结构抗震性能伪静力实验

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1、北工大第三教学楼弹塑性性时程分析与地震波选取及分析方法学院: 建工学院学号：G201104013姓名：苏中博北工大第三教学楼弹塑性性时程分析与地震波选取及分析方法建筑抗震设计规范5.5.2 条规定，对于特别不规则的结构、板柱抗震墙、底部框架砖房以及高度不大于 150m 的高层建筑结构、 7 度三、四类场地和8 度乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构宜进行弹塑性变形验算，对于高度大于 150m 的钢结构、甲类建筑等结构应进行弹塑性变形验算。 高层建筑混凝土结构技术规程5.1.13 条也规定，对于 B 级高度的高层建筑结构及复杂高层建筑结构，如带转换层、加强层及错层、连体、多塔结构等，宜采用弹塑性静

2、力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。我国现行抗震设计规范 1 在总则中以我国现有科技水平和经济能力为前提 ,提出了三水准抗震设防目标 ,其中设防目标在第 2 和第 3 水平时 ,允许结构进入非弹性工作阶段 ,即允许结构通过一定的塑性变形来耗散地震动的能量 ,并在有关章节增加了关于非弹性静力分析及弹塑性反应分析的相关条文。历史上的多次震害也证明了弹塑性分析的必要性；年日本的十栅冲地震中不少按等效静力方法进行抗震设防的多层钢筋混凝土结构遭到了严重破坏，年美国 地震、年日本大分地震也出现了类似的情况。相反，年墨西哥城地震中层的许多建筑物遭到破坏，而首次采用了动力弹塑性分析的一座层建筑物却安然无恙，

3、年该建筑又经历了一次级地震依然完好无损。许多研究者从不同角度进行了结构弹塑性地震反应研究 。其中 ,时程分析方法被认为是目前最为准确的结构弹塑性地震反应分析方法之一 ,这种方法通过逐步积分进行结构弹塑性动力分析 ,可以计算出地震反应全过程中各个时刻的内力和变形状态 ,确定结构开裂和屈服的时刻和顺序 ,发现应力和塑性变形集中的部位 ,从而判明结构的屈服机制 ,薄弱环节以及可能的破坏类型 。可以看出，随着建筑高度迅速增长，复杂程度日益提高，完全采用弹性理论进行结构分析计算和设计已经难以满足需要，弹塑性分析方法也就越来越重要。时程分析法 1被认为是目前结构弹塑性分析的最可靠和最精确的方法，它不仅能对

4、结构进行定性分析，同时又可给出结构在罕遇地震下的量化性能指标，并且得到结构在各个时刻的真实地震反应。弹塑性时程分析方法将结构作为弹塑性振动体系加以分析，直接按照地震波数据输入地面运动，通过逐步积分运算，求得在地面加速度随时间变化期间内，结构的内力和变形随时间变化的全过程，也称为弹塑性直接积分法。弹塑性动力时程分析有如下优点：1）输入的是罕遇地震波的整个过程，可以真实反映各个时刻地震作用引起的结构响应，包括变形、内力、损伤状态（开裂和破坏）等；2）有些程序通过定义材料的本构关系来考虑结构的弹塑性性能，故可以准确模拟任何结构，计算模型简化较少；3）该方法基于塑性区的概念，对带剪力墙的结构，结果更为

5、准确可靠。基于动力弹塑性分析平台，对北工大京第三教学楼进行了罕遇地震作用下的动力时程分析，研究其各个抗震性能指标以及破坏模式。弹塑性动力分析的基本方法：弹塑性动力分析包括以下几个步骤：1）建立结构的几何模型；2）分析设计后更新配筋，定义材料的本构关系，通过对各个构件指定相应的单元类型和材料类型确定结构的质量、刚度和阻尼矩阵；3）输入适合本场地的地震波，开始计算；4）计算完成后，对结果数据进行处理，对结构整体的可靠度做出评估。力学模型：提供了混凝土弹塑性损伤模型以及钢筋单元。而混凝土损伤模型适合钢筋混凝土结构的动力弹塑性分析。为了减小计算工作量，对梁柱等一维构件采用塑性铰模型，对剪力墙采用纤维模

6、型。对梁柱和剪力墙构件，程序有两种考虑钢筋的方式：读入施工图的实配钢筋或采用考虑超配系数后的计算筋。对于剪力墙构件，按照定义的网格尺寸，程序自动划分为若干墙元，每个墙元又按照定义的水平向和竖向纤维数量划分为相应的宏纤维，即所谓的“纤维单元”。每个纤维有一个积分点，剪切变形则计算每个墙单元的 4 个高斯点位置的剪切变形。考虑到墙单元产生裂缝后，水平向、竖向、剪切方向变形具有一定的独立性，故 Building 的非线性墙单元假设水平向、竖向、剪切变形相互独立。动力弹塑性分析目的与分析方法对主楼结构进行罕遇地震下的动力弹塑性时程分析，以期达到以下目的：评价结构在罕遇地震作用下的弹塑性行为，根 据 主

7、 要 构 件 的 塑 性 损 伤 和 整 体变形情况，确定结构是否满 足“大 震 不 倒” 的 设 防 水准要求；研 究 结 构 在 大 震 作 用 下 的 基 底 剪 力、剪 重比、顶点位移、层间 位 移 角 等 综 合 指 标，评 价 结 构 在大震作用下的力学 性 能；研 究 大 震 作 用 下 主 要 构 件（ 剪力墙、框架梁、框架柱 ） 的 损 伤 情 况；研 究 主 要 构件钢筋的屈服情况；根据以上分析结果，针对结构薄弱部位和薄弱构件 提 出 相 应 的 加 强 措 施，以 指 导 结构设计 。结构动力时程 分 析 过 程 中，阻 尼 取 值 对 结 构 动力反应的幅值有 比 较

8、大 的 影 响。 在 弹 性 分 析 中，通常采用振 型 阻 尼 来 表 示 阻 尼 比，根 据抗 规规定，结构 在 罕 遇 地 震 下 的 振 型 阻 尼 取 0. 05 （ 各 振型相同） 。实 际 在 弹 塑 性 分 析 中，由 于 采 用 直 接 积分法方程求解，通常 的 做 法 是 采 用 瑞 利 阻 尼 等 效 模拟振型阻尼，瑞利阻 尼 分 为 质 量 阻 尼 和 刚 度 阻 尼 两部分，其与周期的关系。工程 的 弹 塑 性 分 析将采用 基 于 显 式 积 分 的动 力 弹 塑 性 分 析 方法。 弹 性 模 型 采 用SATWE 软件，罕遇地震动力弹塑性时程分析采用软件 ABA

9、QUS / Standard 和 ABAQUS / Explicit 作为求解器，进行弹塑性计 算 。根 据 工 程 在 施 工 建 造 及 使 用过程中的实际情况，整 个 分 析 过 程 分 为 施 工 过 程 计算、振型及周期计算、地震波时程计算三个部分。2、抗震性能评价指标 结构的总体变 形 要 求：按 照 抗 震 设 防 三 个 水 准的目标，在罕遇地震 下 结 构 的 最 终 状 态 仍 然 竖 立 不倒；结构的最 大 层 间 位 移 角 小 于抗 规规 范 限 值，框架 -剪力墙结构为 1 /100 。结件性能评估指标：剪力墙构件：允许部分剪力墙出现抗拉和抗压 塑 性 损 伤，但

10、是 主 承 重 墙 墙 肢 的抗压损伤系 数 超 过 0. 9 的 面 积 不 大 于 墙 体 宽 度 的1 /2，以保证其具有承受竖向荷载的能力。根据美国规范 FAME356 ，要求主要受力构件钢筋最 大 塑 性 应变小于 0. 025；梁柱单元：允 许 梁 柱 混 凝 土 出 现 刚 度退化，但主框架梁、柱混凝土抗压弹性模量退化值不应超过 80% ，以避免梁端 或 柱 端 完 全 压 碎。钢 筋 的塑性应变小于 0. 025。3 施工过程计算由于结构 在 承 受 地 震 作 用 之 前 已 经 承 受 了 恒载、活载等作用，而且恒载和活载对结构产生的位移和内力对地震分析 过 程 有 较 大

11、 影 响，因 此 在 地 震 分析之前需先进行静力分析。综上所 述：施 工 完 成 后，剪 力墙最大压应力小于 设 计 强 度；墙 体 突 变 处 出 现 局 部混凝土受拉损伤，但 墙 体 中 钢 筋 应 力 仍 保 持 在 较 低水平；钢结构与混凝土梁柱钢筋处于弹性状态 。4 动力特性计算在施工过程计 算 完 成 的 基 础 上，进 行 振 型 和 周期计算可 以 看出，两种软件计算得 到 的 前 3 阶 结 构 自 振 周 期 与 振型基本一致，这说明 模 型 转 换 过 程 中 保 证 了 计 算 模型的完整性 、正 确 性 和 精 确 性 。ABAQUS 中 考 虑 了实际配筋、柱中型

12、钢以及墙中暗柱、边缘构件增配钢筋的刚度贡献，结构总体刚度略大，周期略短 。5 罕遇地震弹塑性动力时程分析5. 1 地震波选取根据抗 规 和高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技 术 规程（ JGJ32002 ） ， 二 分 析 选 取 了 罕 遇 地 震 下 的二组天然波106，US197和 一 组 人 工 波 L660。按抗规规定，在所采用的 这 些 地 震 记 录 中，主、次 方向峰值加速 度 比 值 为 1. 0 0. 85 。对 每 一 组 地 面 加速度时程，两个分量用一个修正系数进行放大，以达到所需的地面水平加速度峰值，在此基础上，再乘以方向系数使两个方向的分量峰值加速度的比值符合

13、要 求。5. 2 各地震波组分析结果汇总5. 2. 1基底剪力地 震 波 作 用 下 结 构 在 X，Y两个方向的基底剪力最大值分别为多少，对应的剪重比分别为多少；其中天然波作用 下 结 构 的 基 底 剪 力 最 大。另 外，由于人工波的地震力相对天然波偏小，因此，主要针对响应较大的一组天然波（ US106 ） 的结果进行详细分析。5. 2. 2 最大层间位移角每组地震波作用下结构的最大层间位移角及其对应楼层号。主体框架核心筒结构及钢结构的弹塑性层间位移角最大值分别满足抗规小于1/100 和1/50的规定。结构弹塑性整 体 计 算 指 标 评 价：每 组 地 震 波 都能顺利完成整个时 间

14、历 程 的动 力 弹 塑 性 计 算，数 值收敛性良好；各组地 震 波 计 算 完 成 后 结 构 依 然 处 于稳定状态，满足“ 大震不倒” 的抗震设防目标。6.结论1）对重要的高层建筑和复杂结构进行动力弹塑性分析，可以弥补弹性分析方法的不足，帮助设计人员找到其薄弱部位；对结构在罕遇地震作用下的可靠度进行评估，减少了设计的盲目性，使结构设计更加安全合理。（2）结构直立不倒，最大层间位移角满足规范要求，整个地震过程中结构未出现可恢复的整体变形。（3）塑性铰首先出现在连梁中，墙肢中出现较晚，程度较轻。（4）主要受力墙肢塑性发展较轻，塑性应变均未超过 0.025，未出现丧失承载力的现象。（5）随着计算分析理论及方法的发展和成熟，设计人员采用结构设计软进行结构动力弹塑性时程分析逐步变为现实。设计软件在弹塑性分析领域的应用也更降低了高端分析的门槛。