sap弹塑性分析方法.docx

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sap弹塑性分析方法

SAP2000弹塑性分析方法运用总结

结构的抗震设计一般可通过三个方面来实现，一种是增加结构的截面和刚度来“抗震”，此时如果要使结构在大震作用下保持弹性状态，结构需要具有如右图所示的承载能力，此时结构的设计截面会变得非常不经济；第二种方法是容许结构发生一定的塑性变形，并保证结构不发生倒塌的"耐"震设计（或叫延性设计）；第三种方法是通过一些装置

（如阻尼器、隔振装置等）来吸收能量的"减"震或"隔"震设计。

当结构和结构构件具有一定的延性时，大震作用下部分构件会发生屈服，此时结构的周期会变长，结构周期的变长反过来减小了地震引起的惯性力，即塑性铰的出现吸收了部分地震能量，从而避免了结构的倒塌。

对结构抗震性能的评价以往多从强度入手，但结构在发生屈服后仍具有一定的耗能和变形能力，因此用能够反映结构延性和耗能能力的变形评价结构的抗震性能应更为合适。

通过动力弹塑性分析我们不仅要了解结构发生屈服和倒塌时的地震作用的大小，同时也要了解结构的变形能力（弹塑性层间位移角、延性系数等）、构件的变形能力、铰出现顺序等，从而实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防目标。

目的：

1）评价建筑在罕遇地震下的抗震性，根据主要构件的塑性破坏情况和整体变形情况，确认结构是否满足性能目标的要求。

2）研究超限对结构抗震性能的影响，包括罕遇地震下的最大层间位移；

3）根据以上分析结果，针对结构薄弱部位和薄弱构件提高相应的加强措施。

弹塑性分析两种方法：

1、静力弹塑性方法push-over

2、动力弹塑性时程分析

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（以下简称《抗规》）第1.0.1条中规定了三水准设防目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

《抗规》5.5.2条中分别规定了"应"进行弹塑性变形验算和"宜"进行弹塑性变形验算的结构。

《抗规》第5.1.2条第3款规定对于特别不规则的建筑、甲类建筑和《抗规》表5.1.2-1所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震（小震）下的补充计算。

《高层混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第3.3.4条也有相关规定。

一．静力弹塑性方法push-over基本原理：

Pushover的分析方法（拟动力推覆法）,主要基于两本手册,一本是由美国应用技术委员会编制的《混凝土建筑抗震评估和修复》（ATC-40）,另一本是由美国联邦紧急管理厅出版的《房屋抗震加固指南》（FEMA273/274）。

混凝土塑性铰本构关系和性能指标来自于ATC-40,钢结构塑性铰本构关系和性能指标来自于（FEMA273/274）,而Pushover方法的主干部分,即分析部分采用的是能力谱法,来自于ATC-40。

其主要步骤如下:

（1）用单调增加水平荷载作用下的静力弹塑性分析,计算结构的基底剪力-顶点位移曲线（图1（a））。

（2）建立能力谱曲线

对不很高的建筑结构,地震反应以第一振型为主,可用等效单自由度体系代替原结构。

因此,可以将曲线转换为谱加速度-谱位移曲线,即能力谱曲线（图1（b））

（3）建立需求谱曲线

需求谱曲线分为弹性和弹塑性两种需求谱。

对弹性需求谱,可以通过将典型（阻尼比为5%）加速度Sa反应谱与位移Sd反应谱画在同一坐标系上（图2（a））,根据弹性单自由度体系在地震作用下的运动方程可知Sa和Sd之间存在下面的关系

（4）性能点的确定

利用有效阻尼系数计算响应谱的谱折减系数.

将能力谱曲线和某一水准地震的需求谱画在同一坐标系中（见图4）,两曲线的交点称为性能点,性能点所对应的位移即为等效单自由度体系在该地震作用下的谱位移。

将谱位移按式

（1）转换为原结构的顶点位移,根据该位移在原结构Vb、Un曲线的位置,即可确定结构在该地震作用下的塑性铰分布、杆端截面的曲率、总侧移及层间侧移等,综合检验结构的抗震能力。

若两曲线没有交点,说明结构的抗震能力不足,需要重新设计。

SAP2000程序中的地震反应谱与我国《建筑抗震设计规范》（GB500112010）的地震反应谱表达方式略有不同,需经等效后换成程序中的系数,程序中的反应谱如图5所示。

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二．动力弹塑性时程分析基本原理：

时程分析法又称直接动力法，在数学上又称步步积分法。

是由初始状态开始一步一步积分直到地震作用终了，求出结构在地震作用下从静止到振动以至

到达最终状态的全过程。

它与底部剪力法和振型分解反应谱法的最大差别是能计算结构和结构构件在每个时刻的地震反应（内力和变形）。

当用此法进行计算时，将地震波作为输入。

地震波的峰值应反映建筑物所在地区的烈度，而其频谱组成反映场地的卓越周期和动力特性。

当地震波的作用较为强烈以至结构某些部位强度达到屈服进入塑性时，时程分析法通过构件刚度的变化可求出弹塑性阶段的结构内力与变形。

这时结构薄弱层间位移可能达到最大值，从而造成结构的破坏，直至倒塌。

作为高层建筑和重要结构抗震设计的一种补充计算，采用时程分析法的主要目的在于检验规范反应谱法的计算结果、弥补反应谱法的不足和进行反应谱法无法做到的结构非弹性地震反应分析。

弹塑性力学方程：

式中：

u为节点位移向量，结构连续体的位移场可通过节点位移向量求得；M为质量矩阵；C为阻尼矩阵；K为刚度矩阵；F为外力向量函数；t为时间变量。

地震作用时，

其中

为地面运动加速度，即地震波。

三、5#北塔弹塑性时程分析

1、模型建立

转换路径：

从YJK-ETABS-SAP2000,YJK做基本静力计算，ETABS可做弹性时程分析，SAP2000做弹塑性时程分析。

YJK15.0可直接YJK-SAP2000，这样有利于模型方便的建立。

1.1确保模型准确

转换过来的模型存在大量问题，需要注意检查，基本静力计算（Ｄ／Ｌ／Ｗ／modle／ＥＱ）。

建议不对墙元进行划分，导入sap以后手动划分，再用面束缚功能粘接不共点的面。

楼板仍可采用壳单元，为使导荷更实际，可对壳进行1~2m左右划分；并对框架在节点处形成分析节点，解决楼板及次梁位移协调。

尽量简化模型，尽量自己建立模型，保留主要抗侧力构件。

比对弹塑性模型与原模型，包括自重、恒活载、截面大小、材料属性。

导过来的模型只是几何模型，有的参数还是错的，这些参数必须自己更正。

修改质量源来自荷载（取重力荷载代表值1.0D+0.5L）

设置荷载模式及工况及荷载组合

1.2校对静力分析结果

就结构周期、模态、基底反力、各单工况位移等于原模型比对，误差5%以内较合理，超出检查原因修改。

1.3阻尼设置

瑞利阻尼，质量及刚度比例系数，混凝土结构阻尼0.05~0.07。

一、时程函数定义

此时地震波以右下角单位一致，若与罕遇地震峰值单位不一致，在荷载工程中调整，也可以调整峰值数值大小。

地震波的选取十分重要，应按照规范选取。

2.塑性铰定义

构件铰定义

点A总是原点

点B代表屈服。

在上升到点B铰内没有变形，无论对点B指定何种变形值。

在点B的位移（转动）将从点C、D、和E的变形中减去。

只有超过点B的塑性变形将被铰显现。

点C代表铰的极限承载力。

点D代表铰的残余强度。

点E代表完全失效。

超过点E，铰将荷载降至在E点下水平轴的点F。

点IO（立即使用），LS（生命安全），和CP（防止倒塌）

首先设定材料非线性本构关系（混凝土规范附录C2.3、C2.4），塑性铰基于材料本构设置观测点及滞回曲线原则。

复杂截面应自己定义屈服面，如型钢混凝土柱等。

梁铰M3、柱铰P-MM

•容许准则即确认塑性铰的转动限值，参考FEMA356表5-6、表5-7、表6-7、表6-8及表6-18.

3.分层壳定义

分层壳单元简介：

分层壳单元基于复合材料力学原理，将一个壳单元划分成很多层（图1），各层可以根据需要设置不同的厚度和材料性质（混凝土、钢筋等）。

在有限元计算时，首先得到壳单元中心层的应变和曲率，然后根据各层材料之间满足平截面假定，由中心层应变和曲率得到各层的应变，进而由各层的材料本构方程得到各层相应的应力，并积分得到整个壳单元的内力。

分层壳单元考虑了面内弯曲－面内剪切－面外弯曲之间的耦合作用，比较全面的反映了壳体结构的空间力学性能。

由于剪力墙内部钢筋数量众多，类型特有多样（分布筋、暗柱集中配筋、

连梁中的受弯纵筋和箍筋及其X形钢筋骨架等，如对每根分布钢筋都采用杆系单元建模，则工作量极大。

而通过在分层壳单元中输入适当的钢筋层，用“弥散”钢筋模型来考虑分布筋影响，是一个比较可行的方法。

依据需要，进行简化。

4.非线性接力

在重力荷载代表值作用后产生的刚度基础上进行弹塑性分析。

5.提取结果

基底剪力、定点位移、加速度、层间位移角、塑性铰发展、剪力墙壳应力等等。

分析结果

恒载

活荷载

重力荷载代表值

周期T1（X）

T2

（Y）

T3（扭）

YJK

262272.5

57118.12

290831.56

0.7814

0.7098

0.5563

SAP2000

272926.4

55580.853

300716.833

0.7368

0.69006

0.5392

误差

3.90%

-2.77%

3.29%

-6.05%

-2.86%

-3.17%

小震基底剪力EY

大震基底剪力REY

小震最大层间位移角D1

大震最大层间位移角D2

质量参与系数

YJK

26896.95

-

1/1347

-

94.81%

SAP2000

26726.07

86790

1/1419

1/354

95.03%

误差

-0.64%

REY/EY=3.2

-

D2/D1=4.01

>90%

结构小震下层间位移较小，抗侧刚度较大，大震下侧移有较大富余。

出铰顺序：

框架梁-剪力墙局部-框架柱

梁较多进入塑性，但大多数处于IO（立即使用）参考点之前;柱部分出现塑性，并破坏。

PMM柱铰滞回情况：

M3梁铰滞回情况：

混凝土受拉：

最大拉应力10.2mpa

混凝土受压：

最大62.8mpa,已被压溃，剪力墙应力重分布。

竖向钢筋层1最大拉应力536.73mp,局部屈服。

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