動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析的方法及其應(yīng)用靜力彈塑性分析

1、動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析的方法及其應(yīng)用|靜力彈塑性分析 動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析 ABAQUS 混凝土塑性損傷模型 1. 引言 建筑抗震震設(shè)計(jì)規(guī)規(guī)范5.55.2條規(guī)定對(duì)于特特別不規(guī)規(guī)則的結(jié)結(jié)構(gòu)、板板柱抗震墻墻、底部部框架磚磚房以及高度度不大于于1500m的高層層鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)、7度三、四四類場地地和8度乙類類建筑中中的鋼筋筋混凝土土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)結(jié)構(gòu)宜進(jìn)進(jìn)行彈塑塑性變形形驗(yàn)算。對(duì)對(duì)于高度度大于1500m的鋼結(jié)結(jié)構(gòu)、甲甲類建筑筑等結(jié)構(gòu)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行彈塑性變變形驗(yàn)算算。高高層建筑筑混凝土土結(jié)構(gòu)技技術(shù)規(guī)程程5.11.133條也規(guī)規(guī)定對(duì)于B級(jí)高度度的高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)和復(fù)雜雜高層建建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)如帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換層、加加強(qiáng)層及及錯(cuò)層、連連體、多

2、多塔結(jié)構(gòu)構(gòu)等宜采用用彈塑性靜力力或動(dòng)力力分析方方法驗(yàn)算算薄弱層層彈塑性性變形。 歷史上的多多次震害害也證明明了彈塑塑性分析析的必要要性19668年日本本的十橳橳沖地震震中不少少按等效效靜力方法進(jìn)進(jìn)行抗震震設(shè)防的的多層鋼鋼筋混凝凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)遭到了了嚴(yán)重破破壞19771年美國Sann Feernaandoo地震、19975年日本本大分地地震也出出現(xiàn)了類類似的情情況。相相反19557年墨西西哥城地地震中1116層的許多建建筑物遭遭到破壞壞而首次次采用了了動(dòng)力彈彈塑性分分析的一一座44層建筑筑物卻安安然無恙恙1985年年該建筑筑又經(jīng)歷歷了一次次8.1級(jí)地震震依然完完好無損損。 可以看出隨著建建筑高度度迅

3、速增增長復(fù)雜程程度日益益提高完全采采用彈性性理論進(jìn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)分析計(jì)計(jì)算和設(shè)設(shè)計(jì)已經(jīng)經(jīng)難以滿滿足需要要彈塑性性分析方方法也就就顯得越越來越重重要。 2.現(xiàn)有有彈塑性性分析方方法綜述述 2.1 靜力彈彈塑性分分析 靜力彈塑性性分析PUSSH-OOVERR ANNALYYSISS以下簡簡稱POA方法也也稱為推推覆法它基于于美國的FEMMA-2273抗震評(píng)評(píng)估方法法和ATCC-400報(bào)告是一種種介于彈彈性分析析和動(dòng)力力彈塑性性分析之之間的方法其其理論核核心是“目標(biāo)位位移法”和“承載力力譜法”。 1.計(jì)算方方法 (1)建立立結(jié)構(gòu)的的計(jì)算模模型、構(gòu)構(gòu)件的物物理參數(shù)數(shù)和恢復(fù)復(fù)力模型型等(2)計(jì)算算結(jié)構(gòu)在在豎

4、向荷荷載作用用下的內(nèi)內(nèi)力這是豎豎向荷載載的作用用(3)建立立側(cè)向荷荷載作用用下的荷荷載分布布形式將地震震力等效效為倒三三角或與與第一振振型等效效的水平荷載模式式。在結(jié)結(jié)構(gòu)各層層的質(zhì)心心處沿高度度施加以以上形式式的水平平荷載。確確定其大大小的原原則是水平力產(chǎn)生生的內(nèi)力力與前一一步計(jì)算算的內(nèi)力力疊加后后恰好使使一個(gè)或或一批桿桿件開裂裂或屈服服(4)對(duì)于于開裂或或屈服的的桿件對(duì)對(duì)其剛度度進(jìn)行修修改后再增加加一級(jí)荷荷載又使得得一個(gè)或或一批桿件開裂或或屈服(5)不斷斷重復(fù)步步驟3、4直至結(jié)結(jié)構(gòu)達(dá)到到某一目目標(biāo)位移移或發(fā)生生破壞將此時(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)構(gòu)的變形和承載力力與允許許值比較較以此來來判斷是是否滿足足“大震

5、不不倒”的要求求。 2.計(jì)算模模型 POA方法法中結(jié)構(gòu)構(gòu)的彈塑塑性是通通過定義義構(gòu)件力力和變形形的關(guān)系系曲線實(shí)實(shí)現(xiàn)。對(duì)對(duì)于梁和和柱可以較較為準(zhǔn)確的模模擬。但但是對(duì)于于剪力墻墻一直沒沒有理想想的計(jì)算算模型目前可可以進(jìn)行行POA的商用用計(jì)算軟件包括括MIDDAS/GENN等是將剪剪力墻簡簡化為兩兩根剛體體梁通過過非線性性彈簧包括軸軸向變形、彎曲變變形、剪剪切變形形彈簧連接的的形式如圖1所示相對(duì)于于殼單元元而言比比較粗糙糙。而SAP20000、ETAABS等程序序目前只只能對(duì)框框架結(jié)構(gòu)構(gòu)進(jìn)行POA分析對(duì)于帶帶剪力墻墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)只能人人為簡化為桿桿系模擬擬。 3. PPOA方法的的優(yōu)缺點(diǎn)點(diǎn) 該方法的優(yōu)優(yōu)

6、點(diǎn)是(1) 相比目目前的承承載力設(shè)設(shè)計(jì)方法法POA可以估估計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)和構(gòu)件件的非線線性變形形比承載載力方法法接近實(shí)際(2) 相對(duì)于于彈塑性性時(shí)程分分析POA方法的的概念、所所需參數(shù)數(shù)和計(jì)算算結(jié)果相相對(duì)明確確構(gòu)件設(shè)設(shè)計(jì)和配筋是否否合理能能夠直觀觀的判斷斷易被工工程設(shè)計(jì)計(jì)人員接接受(3) 可以花花費(fèi)相對(duì)對(duì)較少的的時(shí)間和和費(fèi)用得得到較穩(wěn)穩(wěn)定的分分析結(jié)果果減少分分析結(jié)果果的偶然然性達(dá)到工程設(shè)計(jì)計(jì)所需要要的變形形驗(yàn)算精精度。 該方法的缺缺點(diǎn)是(1) POAA方法將將地震的的動(dòng)力效效應(yīng)近似似等效為為靜態(tài)荷荷載只能給給出結(jié)構(gòu)構(gòu)在某種種荷載作作用下的的性能無法法反映結(jié)結(jié)構(gòu)在某某一特定定地震作作用下的的表現(xiàn)以及由

7、由于地震震的瞬時(shí)時(shí)變化在在結(jié)構(gòu)中中產(chǎn)生的剛度退化化和內(nèi)力力重分布布等非線線性動(dòng)力力反應(yīng)(2) 計(jì)算中中選取不不同的水水平荷載載分布形形式計(jì)算結(jié)結(jié)果存在在一定的的差異為最終終結(jié)果的的判斷帶來了不確確定性(3) POAA方法以以彈性反反應(yīng)譜為為基礎(chǔ)將結(jié)構(gòu)構(gòu)簡化為為等效單單自由度度體系。因因此它主要要反映結(jié)構(gòu)第一周周期的性性質(zhì)對(duì)于結(jié)結(jié)構(gòu)振動(dòng)動(dòng)以第一一振型為為主、基基本周期期在2秒以內(nèi)內(nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)POAA方法較為理理想。當(dāng)當(dāng)較高振振型為主主要時(shí)如高層層建筑和和具有局局部薄弱弱部位的的建筑POA方法并不適用(4) 對(duì)于工工程中常常見的帶帶剪力墻墻結(jié)構(gòu)的的分析模模型尚不不成熟三維構(gòu)構(gòu)件的彈彈塑性性性能和破破

8、壞準(zhǔn)則、塑性性鉸的長長度、剪剪切和軸軸向變形形的非線線性性能能有待進(jìn)進(jìn)一步研研究完善善。 正是由于存存在以上上的一些些缺點(diǎn)對(duì)于目目前工程程中遇到到的許多多超限結(jié)結(jié)構(gòu)分析析POA方法顯顯得力不從心人們逐逐漸開始始重視動(dòng)動(dòng)力彈塑塑性分析析方法的的理論研研究和工工程應(yīng)用用。 2.2 動(dòng)動(dòng)力彈塑塑性時(shí)程程分析 彈塑性時(shí)程程分析方方法將結(jié)結(jié)構(gòu)作為為彈塑性性振動(dòng)體體系加以以分析直接按按照地震震波數(shù)據(jù)據(jù)輸入地地面運(yùn)動(dòng)通過積積分運(yùn)算算求得在在地面加加速度隨隨時(shí)間變變化期間間內(nèi)結(jié)構(gòu)的的內(nèi)力和和變形隨隨時(shí)間變變化的全過程也也稱為彈彈塑性直直接動(dòng)力力法。 相比彈性分分析中的的振型分分解反應(yīng)應(yīng)譜法和和POA方法彈塑性

9、性時(shí)程分分析方法法的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是(1) 由于輸輸入的是是地震波波的整個(gè)個(gè)過程可以真真實(shí)反映映各個(gè)時(shí)時(shí)刻地震震作用引引起的結(jié)結(jié)構(gòu)響應(yīng)應(yīng)包括變形、應(yīng)應(yīng)力、損損傷形態(tài)態(tài)開裂和和破壞等(2) 目前許許多程序序是通過過定義材材料的本本構(gòu)關(guān)系系來考慮慮結(jié)構(gòu)的的彈塑性性性能因此可可以準(zhǔn)確確模擬任何結(jié)結(jié)構(gòu)計(jì)算模模型簡化化較少(3) 該方法法基于塑塑性區(qū)的的概念相比POA中單一一的塑性性鉸判別別法特別是是對(duì)于帶帶剪力墻墻的結(jié)構(gòu)結(jié)結(jié)果更為為準(zhǔn)確可可靠。 該方法的缺缺點(diǎn)是(1) 計(jì)算量量大運(yùn)算時(shí)時(shí)間長由于可可進(jìn)行此此類分析析的大型型通用有有限元分分析軟件件均不是是面向設(shè)計(jì)的因此軟軟件的使使用相對(duì)對(duì)復(fù)雜建模工工作量大大數(shù)

10、據(jù)前前后處理理繁瑣不如設(shè)設(shè)計(jì)軟件件簡單、直觀(2) 分析中中需要用用到大量量有限元元、鋼筋筋混凝土土本構(gòu)關(guān)關(guān)系、損損傷模型型等相關(guān)關(guān)理論知知識(shí)對(duì)計(jì)算人員要要求較高高。 但是隨著理理論研究究的不斷斷發(fā)展計(jì)算機(jī)機(jī)軟硬件件水平的的不斷提提高動(dòng)力彈彈塑性時(shí)時(shí)程分析析方法已已經(jīng)開始應(yīng)用用于少數(shù)數(shù)超高層層和復(fù)雜雜的大型型結(jié)構(gòu)分分析中。 以下本文文將詳細(xì)細(xì)介紹動(dòng)動(dòng)力彈塑塑性分析析的原理理和方法法。 3 動(dòng)力彈彈塑性分分析的基基本原理理和方法法 3.1 基本原原理多自由度體體系在地地面運(yùn)動(dòng)動(dòng)作用下下的振動(dòng)動(dòng)方程為為式中 、 、 分別為為體系的的水平位位移、速速度、加加速度向向量 為地面面運(yùn)動(dòng)水水平加速速度 、

11、 、 分別為體系系的剛度度矩陣、阻阻尼矩陣陣和質(zhì)量量矩陣。將將強(qiáng)震記記錄下來來的某水水平分量量加速度度時(shí)間曲線劃分為為很小的的時(shí)段然后依依次對(duì)各各個(gè)時(shí)段段通過振振動(dòng)方程程進(jìn)行直直接積分分從而求求出體系系在各時(shí)刻的位位移、速速度和加加速度進(jìn)而計(jì)計(jì)算結(jié)構(gòu)構(gòu)的內(nèi)力力。 式中結(jié)構(gòu)整整體的剛剛度矩陣陣、阻尼尼矩陣和和質(zhì)量矩矩陣通過過每個(gè)構(gòu)構(gòu)件所賦賦予的單單元和材材料類型型組裝形成。動(dòng)力力彈塑性性分析中中對(duì)于材材料需要要考慮包包括在往復(fù)復(fù)循環(huán)加加載下混凝土土及鋼材材的滯回回性能、混凝凝土從出出現(xiàn)開裂裂直至完完全壓碎碎退出工工作全過過程中的的剛度退退化、混混凝土拉拉壓循環(huán)環(huán)中強(qiáng)度恢復(fù)等大大量非線線性問題題。

12、 3.2 彈塑性性動(dòng)力分分析的基基本方法法 彈塑性動(dòng)力力分析包包括以下下幾個(gè)步步驟(1) 建立結(jié)結(jié)構(gòu)的幾幾何模型型并劃分分網(wǎng)格(2) 定義材材料的本本構(gòu)關(guān)系系通過對(duì)對(duì)各個(gè)構(gòu)構(gòu)件指定定相應(yīng)的的單元類類型和材材料類型型確定結(jié)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度度和阻尼尼矩陣(3) 輸入適適合本場場地的地地震波并并定義模模型的邊邊界條件件開始計(jì)計(jì)算(4) 計(jì)算完完成后對(duì)結(jié)果果數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行處理理對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)整體的的可靠度度做出評(píng)評(píng)估。 3.3 通用有有限元軟軟件ABAAQUSS在動(dòng)力力彈塑性性計(jì)算中中的應(yīng)用用 在常用的商商業(yè)有限限元軟件件中ABAAQUSS、ADIINA、ANSSYS、MSCC.MAARC都內(nèi)置置了混凝凝土的本

13、構(gòu)模型型并提供供了豐富富的單元元類型及及相應(yīng)的的前后處處理功能能。在這這些程序序中一般般都有專專用的鋼筋模型型可以建建立組合合式或整整體式鋼鋼筋。 以ABAQQUS為例它提供供了混凝凝土彈塑塑性斷裂裂和混凝凝土損傷傷模型以以及鋼筋筋單元。其其中彈塑塑性斷裂和損損傷的混混凝土模模型非常常適合于于鋼筋混混凝土結(jié)結(jié)構(gòu)的動(dòng)動(dòng)力彈塑塑性分析析。它的的主要優(yōu)優(yōu)點(diǎn)有(1) 應(yīng)用范范圍廣泛泛可以使使用在梁梁單元、殼殼單元和和實(shí)體單單元等各各種單元元類型中中并與鋼鋼筋單元共同工作作(2) 可以準(zhǔn)準(zhǔn)確模擬擬混凝土土結(jié)構(gòu)在在單調(diào)加加載、循循環(huán)加載載和動(dòng)力力荷載下下的響應(yīng)應(yīng)并且可可以考慮慮應(yīng)變速率的的影響(3) 引入

14、了了損傷指指標(biāo)的概概念可以對(duì)對(duì)混凝土土的彈性性剛度矩矩陣進(jìn)行行折減可以模模擬混凝凝土的剛度隨著損損傷增加加而降低低的特點(diǎn)點(diǎn)(4) 將非關(guān)關(guān)聯(lián)硬化化引入到到了混凝凝土彈塑塑性本構(gòu)構(gòu)模型中中可以更更好的模模擬混凝凝土的受受壓彈塑塑性行為可可以人為為指定混混凝土的的拉伸強(qiáng)強(qiáng)化曲線線從而更更好的模模擬開裂裂截面之之間混凝凝土和鋼鋼筋共同作用的的情況(5) 可以人人為的控控制裂縫縫閉合前前后的行行為更好的的模擬反反復(fù)荷載載作用下下混凝土土的反應(yīng)應(yīng)。 以單軸工況況為例在往復(fù)復(fù)荷載作作用下混混凝土的的滯回曲曲線如圖圖2所示圖2 混凝凝土滯回回曲線 對(duì)于鋼材等等材料的的屈服和和強(qiáng)化 ABBAQUUS提供了了各種屈屈服準(zhǔn)則則流動(dòng)法法則和強(qiáng)強(qiáng)化準(zhǔn)則則并可以考慮加加載時(shí)的的應(yīng)變速速率等問問題。 在ABAQQUS的后處處理模塊塊中可以給給出整個(gè)個(gè)模型在在地震作作用下每每個(gè)時(shí)刻刻的結(jié)構(gòu)構(gòu)變形形形態(tài)、應(yīng)力等相關(guān)關(guān)數(shù)據(jù)可以查查看結(jié)構(gòu)構(gòu)所有混混凝土單單元的損損傷、混混凝土中中分布的的鋼筋應(yīng)應(yīng)力等了解結(jié)構(gòu)的破壞壞情況也可以以根據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)的總總側(cè)移量量和層間間位移等等控制指指標(biāo)對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行行整體的的判定分析。 5 結(jié)語 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力力彈塑性性分析方方法是一一項(xiàng)非常常復(fù)雜的的工作從計(jì)算算模型的的簡化、恢恢復(fù)力模模型的確確定、地震波的選選用直至計(jì)計(jì)算結(jié)果果的分析