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河南郑州钢结构资讯
力学角度分析各种结构对建筑抗震影响

 钢结构建筑抗震的优越性在历届的自然灾害面前都得到了充分的验证,得到了世人的认可然而对有关的结构在应对地震运动产生的力学反应时,有什么不同的地方呢?我们通过分析从结构弹塑性地震反应分析、动力弹塑性分析、静力弹塑性分析等角度详细的解读。 

1、弹塑性地震反应分析的必要性在强震作用下,结构或结构单元(结构的一部分,一个楼层或一个构件)会超出弹性变形范围,进入塑性阶段工作。这时结构或结构单元的刚度特性会发生明显变化(刚度降低),阻尼特性也会有所改变。显然,结构刚度的降低一般会引起变形的加剧,进而影响到结构的正常使用,或者进一步严重破坏甚至倒塌,这样是不符合设计要求的。

振型分解反应谱法是以反应谱理论和振型分解法为基础的地震作用计算方法,然而,这一方法以叠加原理为基础,因此只适用于线弹性地震反应分析,不能进行几何非线性和结构弹塑性地震反应分析;该法只能计算出地震反应的最大值,不能反映地震反应的发展过程。
上述不足之处说明:
1)        出于安全和经济的原因,抗震设计原则为“小震不坏,中震可修,大震不倒”。但结构及构件在地震作用下一旦进入塑性阶段,叠加原理就不能使用,而反应谱法也不能准确反映弹塑性活动过程中所消耗的地震能量。
2)        地震是一个时间持续过程。由于构件开裂、屈服引起弹塑性变形,造成结构、构件间的内力重分配时刻都在发生,所以结构最大地震反应与变形积累或变形过程有关。反应谱法无法正确判断结构薄弱层或薄弱部位,此外,结构地震反应最大值以及达到最大值的时刻也是结构设计所关心的问题。
3)        科学研究和震害分析表明,结构在地震中是否发生破坏或倒塌,与最大变形能力、结构耗能能力有直接关系。如果不能计算出结构的最大变形或实际耗能,将无法保证“大震不倒”原则的实现。另外,近年来结构隔震和消能减震技术的应用,均需要准确计算隔震装置、消能减震装置的弹塑性变形,确定其变形能力,他们是采用隔、减震技术进行结构设计的关键内容。
4)        用统计方法建立的设计反应谱,即使给出了地震反应的概率或标准差,也不能很好的符合具体的工程地质条件,不能反映场地各土层动力特性的影响,不能计算地基与结构之间的动力相互作用。遇到场地特殊情况,也不能正确估计地震反应的变化。
结构弹塑性地震反应分析的目的是通过认识结构从弹性到弹塑性、从开裂到屈服、损坏直至倒塌的全过程,研究结构内力分配、内力重分布的机理,研究防止破坏的条件和防止倒塌的措施,实现结构设计兼顾安全性和经济性的原则。因此,有必要进行结构弹塑性地震反应分析。
 
弹塑性地震反应分析方法
《抗规》规定,对某些建筑结构进行罕遇地震下的弹塑性变形分析,可根据结构特点和设计需求,分别采用结构动力弹塑性分析或静力弹塑性分析。   
 
2、动力弹塑性分析
时程分析法是20世纪60年代逐步发展起来的抗震分析方法,至80年代,已成为多数国家抗震设计规范或规程的分析方法之一。时程分析法又称动态分析法,是由初始状态开始逐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致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区别是能计算结构和构件在每个时刻的地震反应(内力和变形)。
当用此方法进行计算时,将地震波进行输入。一般而言,地震波的峰值应反映建筑物所在地的烈度,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致结构某些部位强度达到屈服进入塑性的顺序。这时结构薄弱层层间位移可能达到最大值,从而造成结构的损坏,直至倒塌。他从强度和变形两个方面来检验结构的安全和抗震可靠度,并判明结构屈服机制和类型。由于阻尼力与速度或位移的关系、恢复力与位移的关系可能是非弹性的,这种分析就是弹塑性时程分析。如在分析时对结构物理参数引入弹塑性的假定,这种分析就是弹塑性时程分析。
作为不规则的建筑,特殊高层建筑的一种补充计算,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弹塑性地震反应分析。时程分析法的主要功能有:
1)        校正由于采用振型分解反应谱法和组合求解结构内力和位移时的误差。特别是对于长周期的高层建筑,由于设计反应谱在长周期段的人为调整以及计算中对高阶振型的影响评估不足产生的误差。
2)        可以计算结构在非弹性阶段的地震反应,对结构进行大量作用下的变形验算,从而确定结构的薄弱层和薄弱部位,以便采取适当的构造措施。
3)        可以计算结构和各结构构件在地震作用下每个时刻的地震反应(内力和变形),提供按内力包络值配筋和按地震作用过程每个时刻的内力配筋最大值进行配筋这两种方式。
总的来说,时程分析法具有许多优点,它的计算结果能更真实的反映结构的地震反应。从而能更精确细致的分析出结构的薄弱部位。
相比静力弹塑性分析方法,弹塑性时程分析法的优点是:
1)        由于输入的是地震波的整个过程,可以真实反映各个时刻地震作用引起的结构响应,包括内力、变形、损伤形态(开裂和破坏)等。
2)        目前许多程序是通过定义材料的本构关系来考虑结构的弹塑性性能,因此可以准确模拟任何结构,计算模型简化较少。
3)        该方法基于塑性区的概念,相比静力弹塑性分析方法中单一的塑性铰判别法,特别是对带剪力墙的结构,结果更为准确可靠。
该方法的缺点是:计算量大,运算时间长,由于可进行此类分析的大型通用有限元分析软件均不是面向设计的,因此软件的使用相对复杂,建模工作量大,数据前后处理繁琐,不如设计软件简单、直观;分析中需要用到大量有限元、本构关系、损伤模型等相关理论知识,对计算人员要求较高。
3、静力弹塑性分析
 
结构静力弹塑性分析方法也称推覆分析法(Push-over anaiysis,简称POA),将其与地震反应谱理论结合使用可对结构进行抗震评估。这种方法在近20年来获得巨大进展。该方法的基本作法是:先在结构非线性静力分析模型上逐级施加既定的侧向荷载,按顺序计算并记录结构位移、开裂、屈服等地震反应过程,并获得结构~荷载位移曲线,该曲线代表了该结构的承载能力和变形能力;然后结合《抗规》规定的地震需求值判断结构的抗震性能和抗震能力。
推覆分析法评估结构的抗震能力具有许多优点:
1)        相比承载力设计方法,推覆分析法可以估计结构和构件的非线性变形,比承载力方法接近实际。
2)        相对于弹性时程分析法,推覆分析法的概念、所需参数和计算结果相对明确,构件设计和配筋是否合理能够直观的判断,评估过程中所依据的抗震需求和结构设计所应达到的抗震水准可以方便调整、相互适应,体现了基于性能的结构抗震设计思想,易被工程设计人员接受。
3)        工程量相对小,计算过程稳定收敛,可以花费相对较少的时间和费用得到较稳定的分析结果,减少分析结果的偶然性,达到工程设计所需要的变形验算精度。
4)        推覆分析法对于提高结构计算与设计效率、考察结构开裂或屈服过程、分析结构倒塌过程、计算并评估结构抗震能力、指导并改进结构设计,具有重要作用。
推覆分析法的缺点:
1)        推覆分析法将地震的动力效应近似等效为静态荷载,只能给出结构在某种荷载作用下的性能,无法反映结构在某一特定地震作用下的表现以及由于地震的瞬时变化在结构中产生刚度退化和内力重分布等非线性动力反应。
2)        计算中选取不同的水平荷载分布形式,计算结果存在一定的差异,为最终结果的判断带来不确定性。
3)        推覆分析法以弹性反应谱为基础,将结构简化为等效单自由度体系。因此它主要反应结构第一周期的性质,对于结构振动以第一振型为主、基本周期在2s内的结构,推覆分析法较为理想。当较高振型为主要时,如高层建筑和具有局部薄弱部位的建筑,推覆分析法的结果不理想。
4)        对于工程常见的带剪力墙结构的分析模型尚不成熟,三维构件的弹塑性性能和破坏准则、塑性铰的长度、剪切和轴向变形的弹塑性性能,有待于进一步研究完善。http://www.hnyinxiang.net/
作者:webceo / 发布日期:2014-10-24 16:29:38
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