4.1.1   动力弹塑性分析的目的
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技术原理

非线性抗震分析方法可分为非线性静力分析方法和非线性动力分析方法。其中非线性静力分析方法(静力弹塑性分析)因其理论概念易于理解、计算效率高、整理结果较为容易等原因为设计人员所广泛使用。但是由于静力弹塑性分析存在反映结构动力特性方面的缺陷、使用的能力谱是从荷载-位移能力曲线推导出的单自由度体系的能力谱、不能考虑荷载往复作用效应等原因,在高层建筑的非线性分析以及需要精确分析结构动力特性的重要建筑物上的应用受到了限制。近年因为计算机硬件和软件技术的发展,动力弹塑性分析的计算效率有了较大的提高,使用计算更为精确的动力弹塑性分析做大震分析正逐渐成为结构非线性分析的主流。

 

《建筑抗震设计规范》GB50011-2001(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》第5.1.2条第3款又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。《抗规》5.5.2条中又分别规定了"应"进行弹塑性变形验算和"宜"进行弹塑性变形验算的结构。

  

"应"进行弹塑性变形验算的结构如下:

(1)8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时,高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架;

(2)7~9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构;

(3)高度大于150m的钢结构;

(4)甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构;

(5)采用隔震和消能减震设计的结构。

 "宜"进行弹塑性变形验算的结构如下:

(1)《抗规》表5.1.2-1所列高度范围且属于《抗规》表3.4.2-2所列竖向不规则类型的高层建筑结构;

(2)7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构;

(3)板柱-抗震墙结构和底部框架砖房;

(4)高度不大于150m的高层钢结构。

 

另外,结构在实际配筋后是否满足"强柱弱梁"、"强剪弱弯"等概念设计的要求仍需要通过弹塑性分析的验证。

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,结构需要具有如下图4.1.1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。本章中主要介绍使用动力弹塑性分析进行延性设计的内容。

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。因此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。

 

               图4.1.1  弹性系统和弹塑性系统的地震响应比较

 

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动力弹塑性分析的一键式操作方法