靜力彈塑性性基本原理

1、Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.Copyright 2000-2003 MIDAS Information Technology Co., Ltd.北京邁達斯技術有限公司北京邁達斯技術有限公司 黃競黃競Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.方法方法優(yōu)缺點優(yōu)缺點應用程序應用程序主要區(qū)別主要區(qū)別靜力彈塑性靜力彈塑性分析分析方法簡單，便于理解。與時程分析法相比,Pushover方法概念清晰,實施相對簡單,同樣能使設計人員在一定程度上了解結構，在

2、強震作用下的反應,迅速找到結構的薄弱環(huán)節(jié)。midasmidas能直接做剪力墻結構sapsap、etabsetabs墻需要用組合框架代替，操作復雜。pkpmpkpm沒有振型的加載方法。動力彈塑性動力彈塑性分析分析對軟硬件要求比較高，計算時間長，結果不便于整理，但能真是的反應結構在大震下的狀態(tài)。midasmidas只能做桿系結構sapsap、etabsetabs只能做桿系結構pkpmpkpm可以做墻元。abaqusabaqus一般采用纖維墻元模擬。Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.Copyright 2000-2007

3、MIDAS Information Technology Co., Ltd.nPushover分析是考慮構件的材料非線性特點，分析構件進入彈塑性狀態(tài)直至到達極限狀態(tài)時結構響應的方法。nPushover分析是最近在地震研究及耐震設計中經(jīng)常采用的基于性能的耐震設計(Performance-Based Seismic Design, PBSD)方法中最具代表性的分析方法。n所謂基于性能的耐震設計就是由用戶及設計人員設定結構的目標性能(target performance)，并使結構設計能滿足該目標性能的方法。nPushover分析前要經(jīng)過一般設計方法先進行耐震設計使結構滿足小震不壞、中震可修的規(guī)范要

4、求，然后再通過pushover分析評價結構在大震作用下是否滿足預先設定的目標性能。 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.nPushover分析是通過逐漸加大預先設定的荷載直到最大性能控制點位置，獲得荷載位移能力曲線(capacity curve)。PushoverAnalysisCapacity SpectrumdSaSSDOF Systemroof roof Capacity CurveMDOF SystemtransformFbaseVbaseVCopyright 2000-2007MIDAS Informati

5、on Technology Co., Ltd.n多自由度的荷載位移關系轉換為使用單自由度體系的加速度位移方式表現(xiàn)的能力譜(capacity spectrum)，地震作用的響應譜轉換為用ADRS(Acceleration-Displacement Response Spectrum)方式表現(xiàn)的需求譜(demand spectrum)。Demand Spectrumn,2Ta22ndS4TS n,1TnTdSaSaSResponse Spectrumtransformn通過比較兩個譜曲線，評價結構在彈塑性狀態(tài)下的最大需求內(nèi)力和變形能力，通過與目標性能的比較，決定結構的性能水平(performanc

6、e level)。5% ElasticSpectrumPerformance PointDemand SpectrumCapacity SpectrumaSdSmaxDmaxACopyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.分析目的分析目的經(jīng)Pushover分析后,得到性能點,根據(jù)性能點時的變形,對以下三個方面進行評價:1)頂點側移 是否滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性頂點位移限值2)層間位移角 是否滿足抗震規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值。3)構件的局部變形 是指梁、柱等構件塑性鉸的變形,檢驗它是否超過建筑某一性能水準下的允許變形操作步

7、驟操作步驟-靜力分析后進行配筋設計，并更新配筋-定義靜力彈塑性分析主控數(shù)據(jù)-定義靜力彈塑性分析工況-定義鉸特性值，并分配鉸-計算并查看靜力彈塑性分析結果Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.建模及進行靜力分析建模及進行靜力分析 步驟同步驟同“鋼筋混凝土結構抗震分析及設計鋼筋混凝土結構抗震分析及設計”Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.更新配筋更新配筋對于梁柱，“排序”選為“特性值”，“更新配筋”項激活點“全選”按鈕可自動勾選構件別忘了最后更新

8、配筋方法方法1 1：利用程序配筋設計的結果利用程序配筋設計的結果 作用：將配筋結果賦予構件，做PUSHOVER分析時需要用到截面實配鋼筋結果。 Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.對于墻，“排序”選為“墻號層”， “更新配筋”項激活更新配筋更新配筋Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.更新配筋更新配筋勾選要編輯驗算的構件截面方法方法2 2：利用用戶定義的配筋結果：利用用戶定義的配筋結果若在此編輯驗算用截面，則構件的最終實配配筋結果采用此定義的

9、Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.PushoverPushover荷載工況荷載工況 PushoverPushover荷載工況涉及的兩個問題荷載工況涉及的兩個問題 A、如何推？B、推到何種程度?Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.PushoverPushover荷載工況荷載工況 MIDAS/GenMIDAS/Gen中提供兩種中提供兩種PushoverPushover分析方法，即分析方法，即基于荷載增分基于荷載增分的荷載控制的荷載控制法法和和

10、基于目標位移的位移控制法基于目標位移的位移控制法。MIDAS/GenMIDAS/Gen的荷載控制法的荷載控制法采用全牛頓拉普森（Full Newton-Raphson）方法。牛頓拉普森方法是采用微分原理求解的方法，其優(yōu)點是速度快。采用荷載增分的Pushover分析方法的圖形介紹如下。分析獲得的最終荷載(坍塌荷載) Qu彈性極限預測的坍塌荷載Qud*X 等差級數(shù)對應的增分荷載位移荷載將最終(n+1)步驟的增分量作為后面的增分荷載 基于荷載增分法的基于荷載增分法的Pushover分析分析Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd

11、.PushoverPushover荷載工況荷載工況 基于目標位移的位移控制法基于目標位移的位移控制法MIDAS/Gen的位移控制法是由用戶定義目標位移，然后逐漸增加荷載直到達到目標位移的方法。目標位移分為整體控制和主節(jié)點控制兩種，整體控制是所有節(jié)點的位移都要滿足用戶輸入最大位移，位移也是整體位移，不設置某一方向的位移控制。主節(jié)點控制是用戶指定特定節(jié)點的特定方向上的最大位移的方法?；谛阅艿哪驼鹪O計大部分是先確定可能發(fā)生最大位移的節(jié)點和位移方向后給該節(jié)點設定目標位移的方法。初始的目標位移一般可假定為結構總高度的1%、2%、4%。這些數(shù)值一般相當于最大層間位移值，與結構的破壞情況相關。Copyri

12、ght 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.PushoverPushover荷載工況荷載工況 輸入大于1的整數(shù)（nstep=1)推薦最小輸入20(默認值： 20)輸入步驟數(shù)輸入步驟數(shù)選擇考慮則使用PUSHOVER主控數(shù)據(jù)中定義的初始荷載當使用PMM類型(考慮軸力的變化)鉸時，需要更新鉸的屈服強度，此時應選擇考慮初始荷載。選擇是否考慮初始荷載選擇是否考慮初始荷載選擇是否考慮選擇是否考慮P-DeltaP-Delta分析分析選擇增量控制方法選擇增量控制方法： 荷載控制、荷載控制、位移控制位移控制定義定義PUSHOVERPUSHOVER荷載工況

13、荷載工況Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.PushoverPushover荷載工況荷載工況 最大位移一般為 總高度彈塑性層間位移角限值，參見建筑抗震設計規(guī)范5.5.5 條選擇基本模態(tài)作為Pushover荷載的分布模式 周期與振型結果窗口Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.PushoverPushover荷載工況荷載工況 終止分析條件終止分析條件0.01.0sC可以獲得穩(wěn)定解的區(qū)段荷載增量很難獲得穩(wěn)定解Cs接近0.0時，將自動終止分析 當前

14、剛度比當前剛度比 彈性彈性( (線性線性) )：Cs = 1.0Cs = 1.0 到屈服極限到屈服極限 ：1.0Cs0.01.0Cs0.0 負區(qū)段負區(qū)段 ：CsCs0.00.0Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.PushoverPushover荷載工況荷載工況 當前剛度比當前剛度比 変位増分変位増分 1 Column 剛度折減率：0.00.0理想彈塑性 分析模型分析模型 位移控制結果位移控制結果： 可獲得穩(wěn)定解可獲得穩(wěn)定解 荷載控制結果荷載控制結果：屈服后的剛度為屈服后的剛度為0.00.0，所以無法獲，所以無法獲得穩(wěn)

15、定解得穩(wěn)定解Gen V730(NEW)Gen V730(NEW)每個步驟中都會計算當前剛度比，當前每個步驟中都會計算當前剛度比，當前剛度比為剛度比為0.00.0時將自動停止分析。時將自動停止分析。Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.PushoverPushover荷載工況荷載工況 加載方式加載方式FEMA-273推薦三種形式: 1)均勻分布:各樓層側向力可取所在樓層質量； 2)倒三角形分布:結構振動以基本振型為主時的慣性力的分布形式,類似于我國規(guī)范中用底部剪力法確定的側向力分布； 3)SRSS分布:反應譜振型組合得到

16、的慣性力分布。midas程序提供了自定義分布、均勻加速度分布和振型荷載分布三種加載方式均勻加速度分布：均勻加速度分布：提供的側向力是用均一的加速度和相應質量分布的乘積獲得的；振型荷載分布：振型荷載分布：提供的側向力是用給定的振型和該振型下的圓頻率的平方(2)及相應質量分布的乘積獲得的,可以取任何一個振型其中,均勻加速度方法相當于均勻分布,振型荷載分布方法,當取第一振型時,相當于倒三角分布，用戶也可以自定義水平力。采用振型荷載分布要有振型分析。Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.PushoverPushover主控數(shù)據(jù)

17、主控數(shù)據(jù)在PUSHOVER 荷載工況中選擇考慮初始荷載。 考慮軸力變化的影響時需要考慮初始荷載定義初始荷載定義初始荷載適用于所有PUSHOVER荷載工況定義收斂條件定義收斂條件定義PUSHOVER鉸的剛度折減率默認值： 在此修改默認值后點擊確認鍵，則所有鉸的剛度折減率都將自動修改。設置剛度折減率默認值設置剛度折減率默認值自動計算具有分布型鉸特性的梁單元自動計算具有分布型鉸特性的梁單元的屈服強度時，需要參考特梁單元某個的屈服強度時，需要參考特梁單元某個位置的特性位置的特性( (如配筋如配筋) ) I I端、端、J J端、中端、中心心Copyright 2000-2007MIDAS Informa

18、tion Technology Co., Ltd.MIDAS/GenMIDAS/Gen中鉸特性的說明中鉸特性的說明二維梁單元和三維梁柱單元模型二維梁單元和三維梁柱單元模型桁架單元模型桁架單元模型 定義鉸特性值定義鉸特性值Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.MIDAS/GenMIDAS/Gen中鉸特性的說明中鉸特性的說明 三維墻單元模型三維墻單元模型由中間的線單元，上下兩端的剛性桿構成。中間的線單元與三維梁柱單元相同，剛性桿在xz平面內(nèi)做剛體運動。 EtabsEtabs、sapsap中墻元的處理方法。中墻元的處理方法。

19、 柱子：定義鉸特性值定義鉸特性值 鏈桿:斜支撐：Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.定義鉸特性值定義鉸特性值 彎矩彎矩- -旋轉角旋轉角(M-)(M-)本構單元本構單元 彎矩彎矩- -曲率曲率(M-)(M-)本構單元本構單元： 集中型、分布型集中型、分布型 桁架單元桁架單元（軸力軸力) )內(nèi)力成分鉸特性初始剛度鉸位置FxFx（軸力）軸力-位移（相對位移）EA/L單元中心Fy, FzFy, Fz（剪力）剪力-剪切應變GAs單元中心（扭矩）彎矩-旋轉角GJ/L單元兩端y, y, z z（彎矩）彎矩-旋轉鉸6EI/L,3E

20、/L,2E/L單元兩端內(nèi)力成分鉸特性初始剛度鉸位置FxFx（軸力）軸力-應變EA積分點位置Fy, FzFy, Fz（剪力）剪力-剪切應變Gs積分點位置（扭矩）彎矩-曲率GJ積分點位置y, y, z z（彎矩）彎矩-曲率E積分點位置內(nèi)力成分鉸特性初始剛度鉸位置FxFx（軸力）軸力-位移（相對位移）EA/L單元中心一般連接單元一般連接單元內(nèi)力成分鉸特性初始剛度鉸位置FxFx（軸力）軸力-變形（相對位移）用戶輸入（EA/L）單元中心Fy, FzFy, Fz（剪力）剪力-變形（相對位移）用戶輸入（Gas/）單元中心（扭矩）彎矩-旋轉角用戶輸入（GJ/L）單元中心y, y, z z（彎矩）彎矩-旋轉鉸用

21、戶輸入（EI/L）單元中心Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.定義鉸特性值定義鉸特性值MM鉸（鉸（FEMAFEMA）選擇屈服強度的輸入方法選擇I、J端的特性是對稱還是非對稱單元兩端特性為非對稱時在此輸入輸入M/MY、D/DY輸入屈服強度選擇受拉和受壓區(qū)段特性是否相同輸入容許標準用戶輸入屈服變形(新增)輸入初始剛度(新增)1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 12 23 34 45 56 67 78 89 9Copyright 2000-2007MIDAS Information Technolog

22、y Co., Ltd.定義鉸特性值定義鉸特性值PMM PMM 鉸（鉸（FEMAFEMA） 選擇選擇P-M-MP-M-M類型時將自動勾選類型時將自動勾選My-MzMy-Mz內(nèi)力成分內(nèi)力成分- -P-M-MP-M-M類型僅適用于梁柱單元和墻單元類型僅適用于梁柱單元和墻單元- 膜類型的墻單元只能定義面內(nèi)成分My的非線性特性(面外為彈性)1 1選擇骨架曲線類型選擇骨架曲線類型：MyMy和和MzMz只能選擇同樣類型的曲線只能選擇同樣類型的曲線PMMPMM鉸的剛度折減系數(shù)在屈服面特性窗口中進行設置。鉸的剛度折減系數(shù)在屈服面特性窗口中進行設置。2 21 12 2屈服面特性窗口屈服面特性窗口3 33 3選擇屈

23、服面特性的計算方法選擇屈服面特性的計算方法4 44 4定義剛度折減系數(shù)定義剛度折減系數(shù)5 55 56 66 67 77 7鉸類型中即使選擇了用戶輸入也不能修改屈服強度 實際分析中并不使用該值。屈服強度的定義屈服強度的定義： 自動計算時不必用戶輸入自動計算時不必用戶輸入 考慮軸力變化的影響時，在各步驟計算中都將考考慮軸力變化的影響時，在各步驟計算中都將考慮變化的軸力對屈服面的影響。慮變化的軸力對屈服面的影響。定義屈服面定義屈服面： 自動計算時不必輸入自動計算時不必輸入Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.分配分配PUSH

24、OVERPUSHOVER鉸特性值鉸特性值 用鼠標選擇要分配的特性后用鼠標選擇要分配的特性后拖放拖放到模型畫面上到模型畫面上分配了鉸特性的單元上將顯示鉸標簽分配了鉸特性的單元上將顯示鉸標簽 注意事項注意事項選擇的單元類型與鉸特性不匹配時不能分配選擇的單元類型與鉸特性不匹配時不能分配一般連接單元一般連接單元不能使用鼠標拖放功能分配鉸特性不能使用鼠標拖放功能分配鉸特性Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.修改修改PUSHOVERPUSHOVER鉸特性值鉸特性值 修改已定義的修改已定義的PushoverPushover鉸特性的

25、方法鉸特性的方法 最常用的方法，推薦方法最常用的方法，推薦方法修改修改“MM”MM” 一次性修改多個單元的鉸特性在定義鉸特性值窗口中直接修改 則被分配了該特性的單元的鉸特性值將同時被修改 “定義鉸特性值”: 可以修改鉸特性的所有內(nèi)力成分被分配了“MM”特性的所有單元的特性將被同時修改1 12 21 12 2Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.查看分配的鉸查看分配的鉸Gen V712(Gen V712(舊版本舊版本) )Gen V730(Gen V730(新版本新版本) )Copyright 2000-2007MIDA

26、S Information Technology Co., Ltd.運行靜力彈塑性分析運行靜力彈塑性分析Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.查看靜力彈塑性分析結果查看靜力彈塑性分析結果查找性能控制點查找性能控制點Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.查看靜力彈塑性分析結果查看靜力彈塑性分析結果性能控制點性能控制點所對應的結構相關結果查找性能控制點查找性能控制點Copyright 2000-2007MIDAS Information Techn

27、ology Co., Ltd.查看靜力彈塑性分析結果查看靜力彈塑性分析結果性能控制點確定方法性能控制點確定方法Procedure-AProcedure-A是ATC-40中提供的基本方法，首先將能力譜中斜率為初始剛度的切線和阻尼比為5%的彈性設計響應譜的交點作為初始的性能點。然后確定初始性能點位置的等效阻尼，然后求使用有效阻尼系數(shù)的非線性設計響應譜，然后重新計算交叉點作為性能點。重復上述過程，直到在使用有效阻尼系數(shù)的非線性設計響應譜和能力譜的的交點位置上位移響應和加速度響應的變化量在誤差范圍內(nèi)，將此時的交點視為性能點。采用Procedure-A方法確定性能點的方法參見下圖。 Copyright

28、2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.查看靜力彈塑性分析結果查看靜力彈塑性分析結果性能控制點確定方法性能控制點確定方法Procedure-BATC-40中計算性能點的第二種方法是首先假設位移延性比，然后計算對應延性比的結構的結構的有效周期，將有效周期直線和5%彈性設計響應譜的交點作為初始的性能點。對弈于假定的位移延性比的放射線狀的有效周期和非線性設計響應譜的交點將形成一個軌跡線，該軌跡線與結構的能力譜的交點為最終的性能點。Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.PushoverPushover圖形層剪力圖形層剪力查看靜力彈塑性分析結果查看靜力彈塑性分析結果Copyright 2000-2007MIDAS Information Technology Co., Ltd.PushoverPushover圖形層間位移角圖形層間位移角最大彈塑性層間位移角，判斷是否滿足建筑抗震設計規(guī)范5.5.5 條或高規(guī)4.6.5條要求查看靜力彈塑性分析結果查看