工程结构抗震分析静力弹塑性分析法公开课课件.ppt
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1、工程结构抗震分析静力弹塑性分析法工程结构抗震分析静力弹塑性分析法工程结构抗震分析静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法“小震不坏、中震可修、大震不倒小震不坏、中震可修、大震不倒”。以生命安全为单一设防目标的抗震设计理论以生命安全为单一设防目标的抗震设计理论。1.传统抗震设计理论传统抗震设计理论1.1 内容与实质:内容与实质:1.2 基于震害实例的评价:基于震害实例的评价:近年来,多次震害实例表明:按传统的抗震设计思想所设计和建造的建筑结构,近年来,多次震害实例表明:按传统的抗震设计思想所设计和建造的建筑结构,虽然可以做到大震时主体结构不倒塌,保证生命安全,但不能保证中小地震时房屋结虽
2、然可以做到大震时主体结构不倒塌,保证生命安全,但不能保证中小地震时房屋结构,特别是非结构构件的不破坏,从而导致这些结构在地震作用下所造成的经济损失构,特别是非结构构件的不破坏,从而导致这些结构在地震作用下所造成的经济损失越来越严重。越来越严重。这说明以单一的、基于生命安全的性态水准进行设计和建造的房屋显然不能满足这说明以单一的、基于生命安全的性态水准进行设计和建造的房屋显然不能满足社会和公众的需求,抗震设计应既经济又可靠地保证建筑结构的功能在地震作用下不社会和公众的需求,抗震设计应既经济又可靠地保证建筑结构的功能在地震作用下不致丧失乃至不受影响。因此,传统抗震设计理论迫切需要改进。致丧失乃至不
3、受影响。因此,传统抗震设计理论迫切需要改进。静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法2.2.基于性态的抗震设计理论基于性态的抗震设计理论2.1 基本思想基本思想:2.2 主要内容:主要内容:以结构抗震性态分析为基础的设计方法,根据每一级设防水准,将结构的抗震性以结构抗震性态分析为基础的设计方法,根据每一级设防水准,将结构的抗震性态划分成不同等级,设计者可根据业主的要求,采用合理的抗震性态指标和合适的结态划分成不同等级,设计者可根据业主的要求,采用合理的抗震性态指标和合适的结构抗震措施进行设计,要保证结构在未来地震作用下可能遭受的破坏程度可以被业主构抗震措施进行设计,要保证结构在未来地震作用下可能遭受的
4、破坏程度可以被业主所接受。所接受。确定地震设防水准确定地震设防水准 划分结构的性态水平划分结构的性态水平选择合适的性态目标选择合适的性态目标确定抗震设计的性态准则确定抗震设计的性态准则研究抗震性态的分析方法研究抗震性态的分析方法研究基于性态的抗震设计方法,制定基于性态的抗震设计规范研究基于性态的抗震设计方法,制定基于性态的抗震设计规范3.3.地震设防水准地震设防水准3.1 3.1 定义:定义:确定地震设防水准,即未来可能施加于结构的地震作用大小。确定地震设防水准,即未来可能施加于结构的地震作用大小。设防水准的确定往往是以设防目标作为依据的,目前国内外很多国家采用多级设防设防水准的确定往往是以设
5、防目标作为依据的,目前国内外很多国家采用多级设防的设防目标,因而其设防水准也都是多级的。的设防目标,因而其设防水准也都是多级的。3.2 3.2 设防标准影响因素:设防标准影响因素:合理的设防水准,应该考虑到一个地区的设防总投入,未来设计基准期内期望合理的设防水准,应该考虑到一个地区的设防总投入,未来设计基准期内期望的总损失和由社会经济条件决定的设防目标来优化确定,即需要由地震工程专家和的总损失和由社会经济条件决定的设防目标来优化确定,即需要由地震工程专家和管理决策人员综合考虑各种专业因素、社会因素后才能确定。管理决策人员综合考虑各种专业因素、社会因素后才能确定。静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法
6、表设防地震等级的划分设防地震等级设防地震等级重现期重现期超越概率超越概率常遇地震43年30年内50%偶遇地震72年50年内50%罕遇地震475年50年内10%非常地震970年100年内10%Vision2000Vision2000委员会根据不同重现期确定了不同等级的地震动参数,其建议的设防地震委员会根据不同重现期确定了不同等级的地震动参数,其建议的设防地震等级如表等级如表5.1.15.1.1所示。所示。静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法4.4.结构抗震性态水准结构抗震性态水准4.1 定义:定义:结构抗震性态水准是指结构在给定的地震设防水准下预期破坏的最大限度。通结构抗震性态水准是指结构在给定的地
7、震设防水准下预期破坏的最大限度。通常用结构破坏程度、结构功能性和人员安全性描述结构和非结构构件的破坏及由破常用结构破坏程度、结构功能性和人员安全性描述结构和非结构构件的破坏及由破坏引起的后果。坏引起的后果。4.2 量化指标量化指标:对于不同等级的抗震性态,应根据结构类型、整体结构、竖向和侧向承载构件、对于不同等级的抗震性态,应根据结构类型、整体结构、竖向和侧向承载构件、结构变形、设备与装修和修复使用等方面加以定义,并表达为量化指标。结构变形、设备与装修和修复使用等方面加以定义,并表达为量化指标。静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法表结构抗震性态等级表结构抗震性态等级破坏程度破坏程度性能等级性能等级
8、破坏状态与结构性能最低限描述破坏状态与结构性能最低限描述基本完好基本完好使用功能完好使用功能完好无破坏,功能完好,所有设施与服务系统的使用无破坏,功能完好,所有设施与服务系统的使用都不受影响,居住安全都不受影响,居住安全轻微破坏轻微破坏使用功能连续使用功能连续结构破坏轻微,非重要设施稍作修理可继续使用,结构破坏轻微,非重要设施稍作修理可继续使用,使用功能受扰,影响居住安全的结构破坏得到控使用功能受扰,影响居住安全的结构破坏得到控制,基本使用功能连续,非重要功能受到一定影制,基本使用功能连续,非重要功能受到一定影响响中等破坏中等破坏保证人身安全保证人身安全使用功能严重削弱,非结构部分与内部设施有
9、中使用功能严重削弱,非结构部分与内部设施有中等破坏,结构虽受破坏但结构保持稳定。无影响等破坏,结构虽受破坏但结构保持稳定。无影响安全的重大破坏,人员可疏散,震后短期内不宜安全的重大破坏,人员可疏散,震后短期内不宜居住,尽管破坏可修复,但经济损失可观居住,尽管破坏可修复,但经济损失可观严重破坏严重破坏近于倒塌近于倒塌功能丧失,结构与非结构部分破坏严重,但结构功能丧失,结构与非结构部分破坏严重,但结构竖向承载系统免于倒塌,危及人身生命安全,不竖向承载系统免于倒塌,危及人身生命安全,不宜居住,在技术上与经济上修复都不可行宜居住,在技术上与经济上修复都不可行完全破坏完全破坏倒塌倒塌功能全部丧失,主体结
10、构倒塌,多有伤亡事故功能全部丧失,主体结构倒塌,多有伤亡事故5.5.结构抗震性态结构抗震性态目标目标5.1 定义:定义:结构抗震性态目标是指在给定的地震设防水准下期望结构达到的结构抗震性态等级。结构抗震性态目标是指在给定的地震设防水准下期望结构达到的结构抗震性态等级。选择合适的性态目标是基于性态的抗震设计理论的核心内容。选择合适的性态目标是基于性态的抗震设计理论的核心内容。5.2性态性态目标目标设计设计准则:准则:性态抗震设计应当能够既有效地减轻工程的地震破坏、经济损失和人员伤亡,性态抗震设计应当能够既有效地减轻工程的地震破坏、经济损失和人员伤亡,又能合理地使用有限的资金,保障结构在地震作用下
11、的使用功能,因而确定设计性又能合理地使用有限的资金,保障结构在地震作用下的使用功能,因而确定设计性态目标也就是如何根据功能要求、使用情况以及设防地震水准等来确定相应的最低态目标也就是如何根据功能要求、使用情况以及设防地震水准等来确定相应的最低性态目标。性态目标。静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法5.4 抗震新规范对抗震性态目标的要求:抗震新规范对抗震性态目标的要求:当建筑结构采用抗震性能化设计时,应根据其抗震设防类别、设防烈度、场地条件、当建筑结构采用抗震性能化设计时,应根据其抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性,建筑使用功能和附属设施功能的要求投
12、资大小、震后损失和修结构类型和不规则性,建筑使用功能和附属设施功能的要求投资大小、震后损失和修复难易程度等,对选定的抗震设防性能目标提出技术和经济可行性综合分析和论证。复难易程度等,对选定的抗震设防性能目标提出技术和经济可行性综合分析和论证。建筑结构的抗震性能化设计,应根据实际需要和可能,具有针对性:可分别选定针对建筑结构的抗震性能化设计,应根据实际需要和可能,具有针对性:可分别选定针对整个结构、结构的局部部位或关键部位、结构的关键部件、重要构件、次要构件以及整个结构、结构的局部部位或关键部位、结构的关键部件、重要构件、次要构件以及建筑构件和机电设备支座的性能目标。建筑构件和机电设备支座的性能
13、目标。5.3 结构抗震性态结构抗震性态目标等级:目标等级:结构抗震性态目标分为三个等级:基本设防目标、重要设防目标和特别设防目结构抗震性态目标分为三个等级:基本设防目标、重要设防目标和特别设防目标。标。u 基本设防目标是一般建筑设防的最低标准;基本设防目标是一般建筑设防的最低标准;u 重要设防目标是医院、公共消防、学校和通信等重要建筑设防的最低标准;重要设防目标是医院、公共消防、学校和通信等重要建筑设防的最低标准;u特别设防目标是含核材料等特别危险物质的特别重要建筑的最低设防标准。特别设防目标是含核材料等特别危险物质的特别重要建筑的最低设防标准。静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法图抗震性态目标矩
14、阵图抗震性态目标矩阵6.抗震性态目标矩阵抗震性态目标矩阵 地震设防水准和结构抗震性态目标之间的关系称为抗震性态目标矩阵,如图地震设防水准和结构抗震性态目标之间的关系称为抗震性态目标矩阵,如图5.1.1所示。所示。基本性能基本性能安全性安全性人身安全人身安全可用性可用性功能居住功能居住完整性完整性财产安财产安全全极限状态极限状态终极极限终极极限使用极限使用极限损伤极损伤极限限评评价价对对象象主体结构主体结构发生的破坏不致危及生命发生的破坏不致危及生命变形、振动不影响变形、振动不影响正常使用正常使用设定损设定损失范围失范围建筑水电建筑水电机械、非机械机械、非机械 建筑非结构、结构的脱落和飞散及水电
15、、机械的建筑非结构、结构的脱落和飞散及水电、机械的倒塌。严重破坏、脱落和移动不致危及生命倒塌。严重破坏、脱落和移动不致危及生命变形、振动不影响变形、振动不影响正常使用正常使用设定损设定损失范围失范围设备、内部物品设备、内部物品倒塌、脱落和移动不致危及生命倒塌、脱落和移动不致危及生命变形、振动不影响变形、振动不影响正常使用正常使用设定损设定损失范围失范围地基地基不出现直接危及生命安全的大规模坍塌、滑坡和不出现直接危及生命安全的大规模坍塌、滑坡和变形变形变形及承载力的降变形及承载力的降低不影响正常通行低不影响正常通行和使用和使用设定承设定承载力和载力和变形的变形的范围范围 抗震设计方法是基于性态的
16、抗震设计理论的主要内容之一,对基于性态的抗震设抗震设计方法是基于性态的抗震设计理论的主要内容之一,对基于性态的抗震设计理念的实现具有重要意义。基于性态的抗震设计方法目前主要包括按延性系数设计计理念的实现具有重要意义。基于性态的抗震设计方法目前主要包括按延性系数设计的方法、能力谱方法和基于力、基于位移或基于能量的设计方法。的方法、能力谱方法和基于力、基于位移或基于能量的设计方法。8.1 8.1 基于性态的抗震设计方法基于性态的抗震设计方法主要特点:主要特点:5.2 静力弹塑性分析(静力弹塑性分析(Pushover)法)法u Pushover分析是一种简化的结构弹塑性分析方法,其主要用途是检验结构
17、的性能是分析是一种简化的结构弹塑性分析方法,其主要用途是检验结构的性能是否满足不同强度地震下的性态目标否满足不同强度地震下的性态目标 u 同弹塑性时程分析法相比,同弹塑性时程分析法相比,Pushover分析法的主要优点是花费很少的时间和费用就分析法的主要优点是花费很少的时间和费用就能达到性态分析和设计所要求的精度,因此在基于性态的抗震设计理论中得到了广泛能达到性态分析和设计所要求的精度,因此在基于性态的抗震设计理论中得到了广泛的推广和应用。的推广和应用。u Pushover分析中涉及的难点主要有:确定结构的计算模型,确定结构水平力的分布分析中涉及的难点主要有:确定结构的计算模型,确定结构水平力
18、的分布方式,如何考虑能力曲线中下降段的负刚度的问题以及如何考虑高阶振型的影响等。方式,如何考虑能力曲线中下降段的负刚度的问题以及如何考虑高阶振型的影响等。静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法u 静力弹塑性(静力弹塑性(Pushover)分析方法最早是由)分析方法最早是由Freeman等人于等人于1975年提出的,该法不年提出的,该法不仅考虑了构件的弹塑性性能,而且计算简便,成为实现基于性态的抗震设计思想的重仅考虑了构件的弹塑性性能,而且计算简便,成为实现基于性态的抗震设计思想的重要方法要方法。概述概述5.2.2 基本原理基本原理(1)实际结构(一般为多自由度体系)的地震反应与该结构的等效单自由度体
19、系的反应实际结构(一般为多自由度体系)的地震反应与该结构的等效单自由度体系的反应是相关的,这表明结构的地震反应仅由结构的第一振型控制;是相关的,这表明结构的地震反应仅由结构的第一振型控制;(2)在每一加载步内,结构沿高度的变形由形状向量在每一加载步内,结构沿高度的变形由形状向量 表示,在整个地震作用过程中,不表示,在整个地震作用过程中,不管结构的变形大小,形状向量管结构的变形大小,形状向量 保持不变。保持不变。静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法 静力弹塑性(静力弹塑性(Pushover)分析方法最早是由)分析方法最早是由Freeman等人于等人于1975年提出的,该法年提出的,该法不仅考虑了构件
20、的弹塑性性能,而且计算简便,成为实现基于性态的抗震设计思想的不仅考虑了构件的弹塑性性能,而且计算简便,成为实现基于性态的抗震设计思想的重要方法重要方法。5.2.3 基本假定基本假定 对于高阶振型在地震反应中占的比例较大的结构,采用上述假定进行对于高阶振型在地震反应中占的比例较大的结构,采用上述假定进行Pushover分分析得到的结构反应(如层间剪力、层间位移角等)与动力时程分析所得结构差别较大。析得到的结构反应(如层间剪力、层间位移角等)与动力时程分析所得结构差别较大。但已有的研究表明,对于质量和刚度沿高度分布较均匀、地震反应以第一振型为主的但已有的研究表明,对于质量和刚度沿高度分布较均匀、地
21、震反应以第一振型为主的结构,结构,Pushover方法分析的结果与动力时程分析结果有很好的近似。方法分析的结果与动力时程分析结果有很好的近似。5.2.4 水平加载模式水平加载模式(1)当结构处于弹性反应阶段时,地震作用下结构的惯性力分布主要受地震频谱特性和当结构处于弹性反应阶段时,地震作用下结构的惯性力分布主要受地震频谱特性和结构动力特性的影响;结构动力特性的影响;静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法 逐级施加的水平侧向力沿结构高度的分布模式称为水平加载模式。逐级施加的水平侧向力沿结构高度的分布模式称为水平加载模式。地震过程中,结构层惯性力的分布随地震动强度的不同以及结构进入非线性程度地震过程中,
22、结构层惯性力的分布随地震动强度的不同以及结构进入非线性程度的不同而改变的不同而改变,所选用的加载模式要尽可能真实地反映结构承受的地震作用:所选用的加载模式要尽可能真实地反映结构承受的地震作用:(2)而当结构进入弹塑性反应阶段,地震惯性力的分布还将随着弹塑性变形程度和地而当结构进入弹塑性反应阶段,地震惯性力的分布还将随着弹塑性变形程度和地震的时间过程而发生变化。因此,选择合适的水平加载模式是得到合理的震的时间过程而发生变化。因此,选择合适的水平加载模式是得到合理的Pushover分分析结果的前提。析结果的前提。hi为结构第i层楼面距离地面的高度。5 静力弹塑性分析法图荷载位移曲线和有效刚度的计算
23、5 静力弹塑性分析法研究基于性态的抗震设计方法,制定基于性态的抗震设计规范基本思想:是利用前一步加载获得的结构周期与振型,采用SRSS确定结构的各楼层层间剪力,再由各层层间剪力反算出各层水平荷载作为下一步的水平荷载。5 静力弹塑性分析法4)替换xt,则将多自由度体系的动力方程式(5.强度折减系数受多种因素影响,不仅与震级、震源机制、地震波传播途径、地震动持时、场地条件、阻尼比、滞回模型、屈服后刚度、体系的初始自振周期等有关,而且各个影响参数并不完全相互独立,因而给确定强度折减系数带来了一定的困难。不出现直接危及生命安全的大规模坍塌、滑坡和变形如果结构具有较大的变形能力和较大的承载力,则在曲线B
24、点仍在上升阶段,即允许弹塑性变形尚未达到C点,仍可以获得足够的曲线阶段供研究分析结构的抗震能力之用。逐级施加的水平侧向力沿结构高度的分布模式称为水平加载模式。变形、振动不影响正常使用通常用结构破坏程度、结构功能性和人员安全性描述结构和非结构构件的破坏及由破坏引起的后果。FEMA273建议根据以下原则来进行二折线模型的拟合:图倒三角形分布水平加载几种水平加载模式的实践应用:2 典型弹性加速度和位移反应谱5 静力弹塑性分析法Sa为与等效单自由度体系的有效基本周期和阻尼比对应的加速度反应谱值。5.2.4 水平加载模式水平加载模式(1)固定模式是指在整个加载过程中,侧向力分布保持不变,不考虑地震过程中
25、层惯固定模式是指在整个加载过程中,侧向力分布保持不变,不考虑地震过程中层惯性力的改变;性力的改变;迄今为止,研究者们已提出了若干种不同的水平加载模式,根据是否考虑地震过迄今为止,研究者们已提出了若干种不同的水平加载模式,根据是否考虑地震过程中层惯性力的重分布可分为固定模式和自适应模式。程中层惯性力的重分布可分为固定模式和自适应模式。(2)自适应模式是指在整个加载过程中,随结构动力特性的改变而不断地调整侧向力自适应模式是指在整个加载过程中,随结构动力特性的改变而不断地调整侧向力分布。分布。图图5.2.1 均布水平加载均布水平加载图图5.2.2 倒三角形分布倒三角形分布水平加载水平加载 图图5.2
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