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Pushover分析在粘弹性阻尼器框架结构消能减震设计中的应用
文：王娅娣（西安建筑科技大学，咸阳市建筑设计研究院 712000）
摘要：本文阐述了Pushover分析方法抗震性能评估的特点，
粘弹性阻尼器在框架结构消能减震中的应用，用大型有限元
软件SAP2000实现框架结构的Pushover分析，针对分析结果
说明框架结构破坏特性和加粘弹性阻尼器框架结构抗震性能
进行评估，并作简要分析，最后就优化进行展望
关键词：Pushover分析，粘弹性阻尼器，抗震性能评估
1 前言
传统的结构抗震是通过增强结构本身的抗震性能（强
度、刚度、延性）来抵御地震作用的，即由结构本身储
存和消耗地震能量，这是被动消极的抗震对策。由于人
们尚不能准确地估计未来地震灾害作用的强度和特性，
按传统抗震方法设计的结构不具备自我调节的能力。因
此，结构很可能不满足安全性的要求，而产生严重破坏
和倒塌，造成重大的经济损失和人员伤亡。合理有效的
抗震途径是对结构施加控制装置（系统），由控制装置
与结构共同承受地震作用，即共同储存和耗散地震能
量，以减轻结构的地震反应。这种结构抗震途径称为结
构减震控制。这是积极主动的控震对策，是抗震对策的
重大突破和发展
[1]
。
现代抗震设计理论从20世纪初开始建立，经历了一个世
纪的发展，随着人们对地震特性和结构动力特性理解的
不断深入，结构抗震设计理论从最初的静力阶段和反应
谱阶段，发展到动力阶段及目前的基于性能的抗震设计
理论阶段。基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的
一个新的重要发展，它的特点是：使抗震设计从宏观定
性的目标向具体量化的多重目标过渡，业主（设计者）
可选择所需的性能目标；抗震设计中更强调实施性能目
标的深入分析和论证。有利于针对不同设防烈度、场地
条件及建筑的重要性采用不同的性能目标和抗震措施，
有利于建筑结构的创新。基于性能的抗震设计理论是抗
震设计理论的一次重大变革，是一种发展方向
[2
]。
为了体现上述两点，本文就应用比较广泛的粘弹性阻尼
器在框架结构消能减震设计中的应用，借助非线性静力
弹塑性分析，即Pushover分析，阐述其在实际工程中的
应用。
2 Pushover分析
结构抗震工程的非线性分析一般采用非线性静力分析
和非线性动力分析，Pushover分析属于前者，后者指动
力弹塑性时程分析。这两种分析方法各具优势，相对
于动力弹塑性时程分析，Pushover分析方法的主要优势
在于：⑴采用了设计反应谱而不是一系列的地震时程
记录；⑵静力分析
模型比动力分析模型要简单的多；
⑶计算分析时间要少得多。然而，Pushover分析是近似
的，它试用了静力分析来代表动力荷载和往复变形，而
且由于理论上的原因，对于高度较大和复杂的结构，
Pushover分析的结果不太理想。但由于采用了清晰直观
的设计原理和简单易行的操作方法，Pushover分析在工
程实践中得到了较为广泛的应用。
作为抗震性能分析的重要方法之一，Pushover分析将非
线性静力计算结果与弹性反应谱紧密结合起来，用静力
分析的方法来预测结构在地震作用下的动力反应和抗震
性能，在基于性能的抗震设计中，得到了广泛的研究和
应用。Pushover分析的优点在于：既能对结构在多遇地
震下的弹性设计进行校核，也能够确定结构在罕遇地震
下潜在的破坏机制，找到相应的薄弱环节，从而使设计
者可以对局部薄弱环节进行修复和加强，使整体结构达
到预定的使用功能
[2]
。
Pushover分析方法在大型有限元软件SAP2000、ETABS和
PERFORM-3D都有，本文利用SAP2000实现Pushover分析。
3 粘弹性阻尼器框架结构
针对指导过去工程设计的规范、标准相对当前版本缺少
很多更科学合理的元素，而且由于历史条件的原因，可
靠度限定的较低（相对于国外），双重原因导致早些年
的版本指导设计的工程抗震性能欠佳，而现在人们生
活水平提高了，室内装饰都愿意投入很多的资金，在结
构上多投入点也合情合理。所以人们自然会考虑自己的
房子抗震性能好不好。对于尚在设计使用年限服役建筑
物，要想提高其抗震性能，只能采用加固的方法。由于
人们尚不能准确地估计未来地震灾害作用的强度和特
性，对于处在设计阶段的建筑物，合理有效的抗震途径
是对结构施加控制装置（系统），由控制装置与结构共
同承受地震作用，即共同储存和耗散地震能量，以减轻
结构的地震反应。粘弹性阻尼器具有足够的吸收和耗散
地震能量的能力以及恰当的阻尼；具有足够的初始刚
度；其耐久性能优良，能长期保持其初始性能；构造简
单，施工方便，易维护；经济合理。鉴于上述优点，其
在建筑工程消能减震中得到了广泛的应用。
4 工程实例分析
4.1 工程概况
某综合服务楼，为5层钢筋混凝土框架结构，梁板柱均
为现浇。层高为3200 ，纵向4跨，横向3跨，跨度均为
6000 ，梁柱混凝土均采用C30。设防烈度为8度，设计
基本地震加速度为0.20g，场地类别II，设计地震分组为
第二组。钢筋纵筋用HRB335，箍筋用HPB235。
4.2 Pushover分析过程
由于建筑平立面规则，结构刚度、质量分布均匀。因而模
型取建筑短方向一榀横向框架进行抗震性
能研究，简化为
一平面杆系模型，很好地反映真实结构的抗震性能
[3]
。
为了体现板的重量，将梁单元C30混凝土重量密度改为
。将支座约束定义成固定端。其
中加粘弹性阻尼器的模型，SAP2000中的连接/支座类型
中的阻尼单元（Damper）仅在结构进行线性时程分析
和非线性时程分析时发挥作用，而在静力非线性分析中
已不起作用，因此，本文使用弹性连接单元（Linear）
来模拟粘弹性阻尼器计算模型中的刚度，这样可以对加
设粘弹性阻尼器的结构进行Pushover分析，以得到结构
的能力谱，而计算模型中的阻尼项反映在结构有效阻尼
比的计算中，进而建立相应阻尼比时的需求谱
[4]
。
默认的混凝土构件铰属性一般基于FEMA356，梁端指定
M3铰，柱端指定平面P-M3铰。
定义荷载工况，线性分析工况，包括DEAD、Modal及
Response Spectrum（先定义反应谱函数）。
运行设计所需要的分析。执行完三个线性分析工况之
后，检查结果，如果没有什么异常问题，调整设计首选
项，对模型中的框架梁、柱进行配筋设计，再次进行配
筋校核，如果设计有问题，重新调整模型，进行分析和
设计，直到满足要求为止。
定义非线性分析工况，ND（重力非线性分析工况）和
Pushover（Pushover分析工况）。
运行Pushover分析工况。
审阅Pushover结果。按需要修改模型并重复。
4.3 Pushover分析结果的查看和结论
4.3.1 基底剪力–监测点位移曲线
这里需要强调一点，因为我们的主要目的是找到性能
点，我们的处理办法是没有考虑粘弹性阻尼器的屈服，
而用弹性连接单元来模拟，性能点之前阻尼器刚度退化
不是很厉害。
4.3.2 能力谱、需求谱曲线
能力谱和相应水准地震的需求谱绘制在同一坐标系中，
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。加阻尼器框
架ATC40能力谱阻尼参数定义阻尼器提供附加7%临界
阻尼。加阻尼器框架和纯框架比较，加阻尼器框架性
能点（V，D）为（175519.18，52.687），纯框架为
（128751.54，72.187），等效底部剪力之比1.363，等
效位移之比0.73。抗震性能得到了很大程度的提高。
4.3.3 相应地震作用下框架结构塑性铰分布
结构在相应地震作用下的塑性铰的分布，框架结构设计
的时候强柱弱梁，但底层柱端还是可能出现铰，这就
是结构的薄弱环节，设计者可以对局部薄弱环节进行加
强。通过图3还可以看到，它通过将作用重分布，充分利
用了上部框架的性能，所以抗震性能得到很大提高。
5 展望
本文只是用Pushover分析对纯框架和加阻尼器框架进行
了分析，得到了一些结论。凭借
这种分析方法，在充分
了解粘弹性阻尼器力学性能，材料性能，物理性能的前
提小，我们可以就粘弹性阻尼器的布置进行优化，特别
是针对相对复杂的建筑，通过数值分析，得到一种便于
工程应用的布置方案。
参考文献
[1]王社良．抗震结构设计（第3版）．湖北：武汉理工大学出版社
[M]，2007．
[2]北京金土木软件技术有限公司．Pushover分析在建筑工程抗震
设计中的应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2010．
[3]渠延模，周国宝，陈兴林．基于SAP2000的钢框架减震控制分
析[J]．低温建筑技术，2009，11：62-64．
[4]王烨华．粘弹性阻尼高层钢结构基于性能的抗震设计方法研究
[D]．广州：广州大学，2006．