地震工程中的静力弹塑性_pushover_分析法.pdf

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1、第32卷 第2期 贵州工业大学学报(自然科学版)Vol.32 No.22003年 4月JOURNAL OF G UIZHOU UNIVERSITYOF TECHNOLOGYApril.2003(Natural Science Edition)文章编号:100920193(2003)0220089203地震工程中的静力弹塑性(pushover)分析法冯峻辉,闫贵平,钟铁毅(北方交通大学土建学院,北京100044)摘 要:静力弹塑性(pushover)分析法在抗震结构的设计和评估中,尤其是基于性能/位移的抗震设计中,具有很大的潜力。根据其发展背景和近况,评述了它在运用中的一些关键论点用于性能评估的

2、缺陷。为了预测地震反应,提出了一些可能的发展方向。关键词:抗震设计;静力弹塑性分析;推倒分析中图分类号:TU311.3 文献标识码:A0 引 言基于性能的抗震结构设计概念,包括了工程的设计,评估和施工等,要求在未来不同强度水平的地震作用下结构达到预期的性能目标1。为此需在工程实践中完成一个近似且简易的性能评估方法,通常所指的是静力弹塑性分析法(简称为推倒法)。由于推倒法的优点突出:考虑了结构的弹塑性特性,可用图形方式直观表达结构的能力与需求,通常比同一模型的动力分析更快且易于运行,可提供一个较可靠的结构性能预测等特点,正逐渐受到重视和推广。目前国内外许多组织把其纳入抗震规范,如美国的ATC-4

3、0,FEMA274等。我国也把其引入 建筑抗震设计规范(G B50011-2001)。1 推倒(Pushover)分析方法的原理,用途和实施过程1.1Pushover的原理和用途推倒法是一个用于预测地震引起的力和变形需求的方法。其基本原理是:在结构分析模型上施加按某种方式(如均匀荷载,倒三角形荷载等)模拟地震水平惯性力的侧向力,并逐级单调加大,直到结构达到预定的状态(位移超限或达到目标位移),然后评估结构的性能。推倒法可用于建筑物的抗震鉴定和加固,以及对新建结构的抗震设计和性能评估。它可以对所设计的地震运动作用在结构体系和它的组件上的抗震需求提供充足的信息,如对潜在脆性单元的真实力的需求,估计

4、单元非弹性变形需求,个别单元强度退化时对结构体系行为作用的影响,对层间移位的估计(考虑了强度和高度不连续),对加载路径的证实等,其中一些是不能从弹性静力或动力分析中获得的。1.2Pushover的实施过程推倒分析法的实施步骤为:1.准备结构数据。包括建立结构模型,构件的物理常数和恢复力模型等;2.计算结构在竖向荷载作用下的内力(将其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);3.在结构每一层的质心处,施加沿高度分布的某种水平荷载。施加水平力的大小按以下原则确定:水平力产生的内力与2步所计算的内力叠加后,使一个或一批构件开裂或屈服;4.对于开裂或屈服的

5、构件,对其刚度进行修改后,再施加一级荷载,使得又一个或一批构件开裂或屈服;5.不断重复3,4步,直至结构顶点位移足够大或塑性铰足够多,或达到预定的破坏极限状态。6.绘制基础剪力 顶部位移关系曲线,即推倒分析曲线。收稿日期:2002-10-252 当前Pushover的研究状况及讨论推倒法所固有的假设:(1)反应可由单一振型控制;(2)在整个时程反应中,振型形状保持不变。显然这两个假设都不正确,由此得出的结果在本质上仍是近似的。这里主要通过水平加载模式的影响,结构目标位移的确定,以及发展和研究需要三方面论述推倒分析方法的现状及研究进展。2.1 水平加载模式水平加载模式指侧向力沿结构高度的分布方式

6、,用来表示设计地震中的反复力作用。推倒分析结果在很大的程度上与所选的横向水平荷载分布模式有关,通常采用的有:均匀分布,倒三角分布,抛物线分布,反应谱振型组合得到的第一振型水平力分布,SRSS分布,惯性力随非弹性变形水平变化的可适应性分布等。如Bracci2使用的力向量增量的方式Fj+1i=VjFjiVjb-Fj-1iVj-1b+Vj+1bFjiVjb(1)其中:i是楼层数,j是增量,Vb是基础剪力,Vb是基础剪力增量。目前,对可适应的加载模式的优点还未达成一致。Krawinkler3推荐在评估结构的性能时,至少应使用两个加载模式来预测及界定反复力作用。一个应是“均匀加载”模式(楼层力与楼层质量

7、成正比),同整体倾覆力矩比较,更强调楼层剪力对低层需求的重要性;另一个可能是现行规范的设计加载模式,或更好的考虑了弹性高阶影响的加载模式(如由楼层剪力SRSS计算的)。2.2 结构目标位移的确定目标位移是结构在一次地震输入下可能达到的最大位移(一般指结构屋顶质心的位移)。计算目标位移的方法通常有两种:(1)假定结构沿高度的变形向量,利用Push-over法得到的底部剪力-顶层位移曲线,将结构等效为SDOF体系,然后用弹塑性时程分析法或弹塑性位移谱法求出等效SDOF体系的最大位移,再转换为MDOF的最大位移。(2)通过弹性加速度反应谱(能力谱)和结构弹性参数等效的SDOF体系求出目标位移。Fae

8、lla4认为,推倒分析法的目标位移取决于设计地震下动力时程分析得到的结构最大位移时,与动力时程分析获得的层间位移和柱子损伤才较吻合。其主要原因在于动力时程分析输入加速度值有正有负,而Push2over方法采取单调加载,即仅模拟了左(或右)地震作用。Tso和Moghadam5使用弹性动力分析得到建筑物的目标位移,与基于等效非线性SDOF体系所得的具有同样的准确性。Krawinkler2认为由弹性SDOF位移需求预测非弹性位移需求,需考虑以下几项的修正:屈服强度,刚度下降或收缩,强度衰减,P-效应,有效粘滞阻尼,基础上升,扭转效应,及半刚性楼层隔膜等。Gupta和Kunnath6通过分析观测到的地

9、震反应值,来评估现存的结构模式和地震作用分析法,发现Pushover分析法建立在结构未破坏状态基础上的目标位移,有潜在缺陷,并在此基础上对其进一步改善,提出一个“可适应”的模式,基于特定位置谱的推倒分析,考虑了高阶振型的影响,克服了FEMA273方法的缺陷。2.3 研究和发展需要Fajfar7阐述了一些运用推倒分析法的成功范例,同时也指出长周期增加,强地面运动输入充足时,使用静力分析的困难。Elnashai8讨论了推倒分析法在运用中的关键论点和它们对评估所获数据的影响。提出一些可能发展的方向,如朝着可适应的推倒法(考虑了非弹性的延伸,几何非线性,高阶振型的作用,频谱振幅法等),在纤维模型的框架

10、里讨论。对三维结构,考虑到扭力的不规则性,难以决定结构应被运行推倒的决定性方向。Moghham和Tso4等曾对一座质量偏心的非对称多层框架结构运用推倒分析,使用弹性动力分析得到目标位移和加载的分布形状,考虑了扭转效应,提供了很好的借鉴作用。Chen和Collins9使用三维分析模型,明确考虑非对称结构的扭转行为,得出一些初步的观察和结果。高阶振型作用的重要性依赖于楼层数,以及模态周期的相对位置(考虑到设计谱的峰值和平稳值)。采用反应谱阵型组合的侧向力分布,是否可以认为已考虑了高阶振型的影响,因而可将推倒分析用于高层建筑09贵 州 工 业 大 学 学 报(自然科学版)2003年结构,对此问题没有

11、得到合理的解决。由于推倒分析中结构能力和地震需求的分离,为更好的发展及改进推倒分析法,还有许多问题待解决:建立三维空间结构模型 考虑局部抗力和高阶振型作用的可适应的推倒分析 下降段刚度的处理 考虑桩-土-结构相互作用的加载模式 累积损伤的影响在基于性能的抗震规范中,性能评估基于所计算的重要反应参数,如整体移位,层间移位,非弹性单元变形,单元间的变形等,与所选性能相关的这些参数的限值相比较。单纯的推倒分析并不能得到地震反应,许多学者提出了各种利用推倒分析结果确定弹塑性结构地震反应的方法,如N27法,能力谱法和改进能力谱法,塑性倒塌机构分析法,位移系数法和割线法等。我国目前也在开展应用研究。关于侧

12、向加载模式,杨溥,李英明等比较了三种加载模式,认为反应谱振型组合得到的第一振型水平力分布较理想9。田颖11等在推倒分析的基础上,运用改进能力谱法对一座十层的钢筋混凝土框架结构进行了抗震性能评估,与弹塑性时程分析的结果较相符。3 结论及发展前景推倒(pushover)分析法,不可能对抗震需求提供精确分析,但能结构的非弹性行为可以做出非常可靠的评估。对于楼层数不太多或固有周期不太长的结构,能够较好的评估结构的抗震性能。目前对规则结构进行推倒分析的问题不大,但要在实际工程中得到广泛的应用,其加载模式,目标位移,高阶振型的影响,能力谱法中需求谱的计算方法,桩-土-结构相互作用,累积损伤论点等方面还待完

13、善。需通过大量震害实例调查和分析计算,才能进一步探讨推倒分析的合理性和实用性。目前,国外已开发了许多可用于对结构进行推倒分析的商业软件,用于二维平面分析的如DRAIN-2DX,IDARC等;用于三维空间分析的,如SAP2000N等。随着建筑物造型和结构体型复杂化,推倒分析方法向三维空间分析方向发展是必然趋势。最近的研究进展使推倒分析的结果接近,甚至赶上了非弹性时程分析。这种简化而强有力的分析技术还有很大的发展空间,并可被用作抗震分析的主要工具。参考文献:1 Bertero V.Performance-based seismic engineering:A critical review of

14、proposed guidelinesA.Seismic Design Methodologies for theNext Generation of CodesC.In:Fajfar P,Krawinkler H,edltion.Rotterdam:AA Balkema,1997,1-312 Bracei J m.Kunnath S Kand Reinhorn.A.M.Seismic performance and retrofit evaluation of RC structuresJ.J.of struct Engrg,ASCE,1997,123(1),3-10.3 Helmut Kr

15、awinkler&G D P K.Seneviratna.,Pros and cons of a pushover analysis of seismic performance evaluationJ.EngineeringStructures,1998,20,(4-6),452-464.4 G iuseppe Faella.Evaluation of the R/C Structures Seismic Response by Means of Nonlinear Static Push-over AnalysisCD11th Worldconference On Earthquake E

16、ngineering,19965 W K Tso&A S Moghadam,Seismic response of asymmetrical buildings using pushover analysisA.Seismic Design Methodologies for theNext Generation of CodesC.Balkema Rotterdam.In:Fajfar P,Krawinkler H,edition,1997,311-3216Balram Gupta,and Sashi K.Kunnath,Adaptive spectra-based pushover pro

17、cedure for seismic evaluation of structuresJ.EarthquakeSpectra,2000,16(2):367-391.7Peter Fajfar.,A Nonlinear Analysis Method for Performance-Based Seismic DesignJ.Earthquake Speactra,2000,16(3):573-592.8A.S.Elnasai,Advanced inelastic static(pushover)analysisfor earthquake applicationsJ.Structural En

18、gineering and Mechanics,2001,12(1):51-69.(下转102页)19第2期冯峻辉等:地震工程中的静力弹塑性(pushover)分析法Advance in Study on the Holocene Climate Fluctuations inthe Qinghai-Tibetan PlateauWANG Hua1,2(1.State Key Laboratory of Environmental Geochemistry,Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sci2ences,Guiyang 550002

19、;2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039)Abstract:Qinghai-Tibetan Plateau is the highest and the youngest one in the world.It strongly affects the cli2matic shift in the north hemisphere.Holocene is most closely related to human evolution and human civilization.This paper dea

20、ls with the study results of Chinese scientists on the Holocene climate fluctuations in the TibetanPlateau.Holocene megathermal event began at about 10kaBP.The maximum megathermal stage took place about76kaBP.During the megathermal phase,vegetation and forest extended,peat formed,lake ascended,thesu

21、mmer monsoon strengthened.At about 5kaBP,the climate changed from warm-humid to cold-dry.Key words:Qinghai-Tibetan Plateau;Holocene;climatic fluctuation(上接91页)9Potuan Chen,Kevin R.Collins,Some observations on performance-based and reliability-based seismic design of asymmetric buildingsstructuresJ.E

22、ngineerng structures.2001,23:1005-101010杨溥,李英民等.抗震结构静力弹塑性分析(Push-over)方法的研究进展.重庆建筑大学学报,2000,5:87-92.11田颖,钱稼茹,刘凤阁.在用RC框架结构基于位移的抗震性能评估J.建筑结构,2001,31(7):53256.Pushover Analysis Method in Earthquake EngineeringFENGJun2hui,Y AN Gui2ping,ZHUONG Tie2yi(Faculty of Civil Engineering,Northern Jiaotong Univers

23、ity,Beijing 100044,China)Abstract:The potential of pushover analysis method is recognized in earthquake design and evaluation,especial2ly in performance2based or displacement2based seismic design.This paper describes the development of pushoveranalysis,discusses critical issues and shortcomings in its application,and supposes some possible improvementsthat would make this method more applicable to the prediction of earthquake response.Key words:seismic analysis;pushover;inelastic static analysis;N2method201贵 州 工 业 大 学 学 报(自然科学版)2003年