静力弹塑性分析方法简介
摘要：PUSHOVER方法是基于性能/位移设计理论的一种等效静力弹塑性近似计算方法，该方法弥补了传统的基于承载力设计方法无法估计结构进入塑性阶段的缺陷，在计算结果相对准确的基础上，改善了动力时程分析方法技术复杂、计算工作量大、处理结果繁琐，又受地震波的不确定性、轴力和弯矩的屈服关系等因素影响的情况，能够非常简捷的求出结构非弹性效应、局部破坏机制、和整体倒塌的形成方式，便于进一步对旧建筑的抗震鉴定和加固，对新建筑的抗震性能评估以及设计方案进行修正等。PUSHOVER方法以其概念明确、计算简单、能够图形化表达结构的抗震需求和性能等特点，正逐渐受到研究和设计人员的重视和推广。目前，国内外论述PUSHOVER方法的文章已经很多，但大部分是针对某一方面的论述。为了给读者一个比较快速全面的认识，本文在综合大量文献的基础上，对PUSHOVER 方法的基本原理、分析步骤、等效体系的建立、侧向荷载的分布形式等方面做了比较全面的论述。
关键词：基于性能抗震设计；静力弹塑性分析；动力时程分析方法；恢复力模型；目标位移
1前言
结构分析方法基本可以分为弹性方法和弹塑性方法。按对地震得不同处理方式，又分为等效静力分析与动力时程分析。一般来说动力弹塑性时程分析方法能较真实地模拟地震作用过程，但是，由于计算工作量巨大，地震波的不确定性等因素的影响，此方法尚处于科研阶段，在短期内做到实用化非常困难。自20世纪90年代美国学者提出基于性能设计的抗震设计思想以来，PUSHOVER方法由于其简单方便以及对结构特性的良好表现性，很快成为各国学者积极讨论广泛研究的焦点之一。经过十几年的研究，已经取得了较大发展，并且得到了美国的SEAOCVision2000，ATC–33，ATC–34，ATC–40，FEMA273，FEMA274[1-3]；欧洲的Eurocode8和日本的BuildingStandardLawofJapan等规范或规程的认可，我国也将这种方法引入了《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）。在反应谱的基础上建立的静力弹塑性分析方法主要有：N2方法，ATC-40推荐的能力谱方法[4]，FEMA-273推荐的位移影响系数法，改进能力谱方法[2]，Chopra改进能力谱方法[5]，适应谱法[6]，概率PUSHOVER分析方法[7]，静动力综合法[8]等。另外，还有很多学者针对这一方法的适用范围、影响因素作了深入探讨和研究，但是他们大多是针对某一方面，使对这方面有兴趣的读者感到凌乱，没有头绪，所以有必要对PUSHOVER方法的基本原理、分析步骤、适用范围、优缺点等作全面的论述。
2基本原理与分析步骤
2.1PUSHOVER方法的基本原理
静力弹塑性分析方法主要用于确定结构的非弹性效应、局部破坏机制、和整体倒塌的形成方式。因此该方法可以用于旧建筑的抗震鉴定和加固，以及新建筑的设计和抗震性能评估。这种方法的基本原理是：首先利用由反应谱换算得到的代表抗震需求的需求谱和体现结构自身性能的能力谱得到结构在可能地震作用下所对应的需求位移，然后在施加竖向荷载的同时，将表征地震作用的一组水平静力荷载以单调递增的形式作用到原结构计算模型上进行静力推覆分析，在达到需求位移时停止荷载递增，最后在荷载终止状态对结构进行抗震性能评估，判断是否可以保证结构在该水平地震作用下满足相应的功能要求。
静态弹塑性分析方法并没有非常严格的理论基础，所以采用这种方法是基于以下两个基本假设[9]下的：
（1）结构的反应和简化为等效单自由度体系的反应相关，这就意味着机构的反应由第
一振型控制；
（2）在整个地震过程中机构沿高度的变形由保持不变的形状向量表示。
很明显这两个假设忽略了高阶振型和扭转效应的影响，对于高层建筑存在着较大的理论问题，但是，已有的研究表明对于由第一振型起控制作用的多自由度结构，静力弹塑性分析方法可以得到很好的分析结果。这两个假设使PUSHOVER方法简单易用，但同时也在很大程度上限制了它的应用范围。针对这一问题，很多学者从水平荷载分布形式、目标位移的分析方法等方面做了深入研究不仅提高了计算精度，而且在很大程度上扩大了该方法的应用范围。
2.2静力弹塑性的基本步骤
（1）准备数据。包括建立结构模型,构件的物理常数和恢复力模型等；
（2）选择一单调递增水平荷载（均布、倒三角、多振型叠加、二次分布、美国规范UBC97加载模式、组合加载等[10]），在水平荷载和竖向荷载共同作用下对结构进行弹塑性分析，作出结构的基地剪力-水平荷载曲线图（图1（a））。
（3）建立能力谱曲线。对于以第一振型为主的建筑，可以用等效单自由度体系代替原结构。将基底剪力-顶点位移曲线转换为谱加速度-谱位移曲线，即能力谱曲线（图1（b））。
式中分别为结构第一振型的振型参与系数和广义质量，为基底剪力，为结构顶点位移。
式中：——第i层质点的质量；——振型1中质点i的振幅；——振型1中顶层质点的振幅。
（4）建立需求谱曲线。需求谱曲线分为弹性和弹塑性两种，弹性需求谱（一般取阻尼比为0.05）可以通过弹性单自由度系统地震作用下Sa和Sd之间的以下相容关系得到Sa和Sd之间的关系曲线，即AD格式的需求谱（图2（b））。
弹塑性系统AD格式的需求谱通常有两种求法，一是通过强度折减系数延性系数的关系利用弹性反应谱求解；二是对谱进行统计研究，直接获得非弹性设计谱。显然，第二种方法比第一种方法精确的多，但是需要大量的工作，目前多采用前一种方法。折减系数与延性系数的关系方法最早由Newmark和Hall提出，许多学者也进行了深入研究，文献[11]对此进行了较为系统的总结。目前，常用的除了Newmark-Hall提出的方法[12]外，还有Krawinkler-Nassar方法[13]，Elghadamsi-Mhraz方法[14]，Riddell-Hidalgo-Cruz 方法[15],Vidic-Fajfar-Fischinger方法[16]等。确定了关系后，可以由下式确定弹塑性反应谱：其中，A为弹性加速度反应谱上对应于SDOF体系周期Tn和阻尼比的加速度值。变化值可以得到一组曲线，转化为AD格式，即为等延性需求谱。
（5）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，两曲线的交点称为性能点，性能点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。再根据式（1）将谱位移转换为原结构的顶点位移，由该位移在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。
结构性能点反映结构的延性特性，与结构的位移相关，所以需要根据结构位移不断修正等效体系的等效刚度和阻尼比，迭代求解。如果计算结果不收敛，即两曲线没有交点，说明结构抗震能力不足，需要重新设计。
3等效单自由度体系的建立
静力弹塑性分析步骤中比较重要的有恢复力模型的确定，等效体系的建立，测向力分布形式的选择等，这些是进行PUSHOVER分析必然要解决的问题。
等效单自由度体系的建立几乎每个研究PUSHOVER方法的学者都深入研究过。主要有美国Stanford大学的HelmutKrawinkler和G.D.P.K.Seneviratna[9]，南斯拉夫Ljubljana大学的PeterFajfar[17]，日本的HiroshiKURAMOTO，MasaomiTESHIGAWARA[18]等。虽然等效过程中公式并不完全一致，但是，基本等效原则大致相同。即通过将多层结构理想化为质量集中在各层楼面的多自由度系统的动力运动方程进行等效。本文用KrawinklerandSeneviratna的推导形式作说明。多层结构在地震作用下的动力微分方程为：
式中:分别为质量矩阵、阻尼矩阵、层间恢复力向量，为刚度矩阵；分别为楼面相对地面的侧向位移向量、速度向量、加速度向量；为地面运动加速度。令：
即将结构侧向位移向量用顶层位移与形状向量的乘积来表示。其中，为多自由度顶层位移；为形状向量，不同类型的结构可采用不同的形状向量，对于中低层钢筋混凝土框架结构可取结构的第一振型作为形状向量。将（7）代入（6）得：
定义等效单自由度体系得参考位移：
将顶层位移向量用参考位移表示并且代入（8）式，同时方程两边前乘得
式（10）可以进一步简化为等效单自由度体系的反应方程：
式中，分别为等效单自由度的等效质量、等效阻尼和等效恢复力。分别用下式表示：
由式（9）和式（14）可知，假如形状向量已知，则可以根据多自由度非线性增量静力分析结果确定等效单自由度体系的力-位移（）关系。
4恢复力模型的确定
作用在结构或构件的载荷被卸掉后，构件恢复原来状态的能力称为构件的恢复力，它与构件变形之间的关系曲线称为恢复力特征曲线。曲线一般是对结构或构件进行反复循环加载试验得来的，它的形状取决于结构或构件的材料性能以及受力状态。恢复力模型的选取也是进行结构静力弹塑性分析非常重要的一步，而且模型的选取直接影响计算结果的精确程度和分析过程的简化。对于钢筋混凝土结构或构件为了简化计算一般采用用双线型和三线型模型，同时还需要考虑刚度或强度的退化影响。
（1）双曲线模型
双曲线模型是最简单的恢复力模型，如图3（a）所示，其正向加载的骨架曲线采用两根直线01和12，其形状由构件的屈服强度、弹性刚度与屈服后刚度确定。加载及卸载刚度保持不变，反向加载的骨架曲线同正向。
（2）三线型模型
三线型模型如图3（b）所示，正向加载的骨架曲线有三根直线01、12及23组成，其形状由构件的开裂荷载、屈服荷载及各阶段的刚度确定；反向加载的骨架曲线同正向。模型的卸载刚度保持不变，等于屈服点的割线刚度（02线段的斜率），加载刚度考虑了退化现象，并令滞回线指向上一循环的最大位移点。三线型模型能较好地反映以弯曲破坏为主的钢筋混凝土构件的特性，比较适用于这类构件的计算。
5侧向荷载分布形式
在进行结构静力弹塑性分析时施加的等效水平静力单调递增荷载是为了简化地震力而采取的一种方法。侧向荷载的分布方式，既应反映出地震作用下各结构层惯性力的分布特征，又应使所求得的位移，能大体真实地反映地震作用下结构的位移状况。如果结构受高振型的影响不大并且在不同侧向荷载方式作用下得到的结构破坏方式相似，则分析结果受荷载分布方式的影响不大。事实上，由于任何一种荷载分布方式都不可能反映结构全部的变形及受力要求，因为不论用何种分布方式，都将使得和该加载方式相似的振型作用得到加强,而其他
振型的作用则很容易被忽略。而且，在强地震作用下,结构进入弹塑性状态，结构的自振周期和惯性力大小及分布方式也因之变化，楼层惯性力的分布不可能用一种分布方式来反映。因此Krawinkler[9]建议，最少用两种以上的荷载分布方式进行pushover分析。现有的等效静力荷载分布模式有以下几种[19][20]：
（1）均布加载模式（TheUniformDistribution）
这种方式也包括两种，一是把整个建筑高度范围内的侧向力按等分布考虑，二是把地震对每层的作用力看成均匀分布，计算公式分别由式（15）、（16）给出。
式中分别表示第层的集中力，第层的分布力，结构底部剪力，结构总层数，第层的重力荷载代表值。这种分布方式对层数较多的结构进入屈服状态后的受力情形比较接近。
（2）倒三角形分布（TheInverseTriangularDistribution）
这种加载模式广泛用于各国规范，如我们熟悉的底部剪力法。它认为在建筑结构高度范围内所受的惯性力是线性分布的。每层的层间力为：
式中分别表示第层的重力荷载代表值和第层所处高度。这种分布模式较适用于层数较少的中低层结构。
（3）广义乘方分布（TheGeneralizedPowerDistribution）
这种分布方式可以反映结构变形中不同振型的贡献以及高阶振型的影响，其计算公式如下：
式中分别表示第层的重力荷载代表值和第层所处高度。是形状分布参数，可以定义为结构周期的函数，当时为均匀加载模式；当时为倒三角分布模式；当时为二次分布加载模式。
（4）振型自适应分布（TheModelAdaptiveDistubution）
前三种分布方式将荷载看成在整个加载过程中是不变的，这对于弹性阶段的结构是适应的，但是，当结构进入弹塑性阶段，随着变形的增大构件的屈服，结构的自振特性和刚度不断变化，层间剪力也会产生相应变化，此时再把水平荷载看成不变的，显然是不合适的。所谓自适应分布是指根据加载过程中塑性铰的发展，不断调整结构和构件的刚度矩阵，从而使振型形状也发生相应改变。因此该方法采用与振型形状成比例的侧向力分布，可以分为只考虑基本振型和考虑多个振型两种情况，计算公式分别为式（19）和式（20）
式中分别表示第层的重力荷载代表值，第层处第1振型值，上一步计算得到的基底剪力，上一步计算得到的第层层间力。
式中分别为第振型在层的值，第振型的振型参与系数；其他参数与（19）式相同。
还有很多学者提出其它分布方式，文献[20]对其作了较为详细的总结：
第一类是固定式分布模式。这类除了均匀分布、倒三角分布、广义乘方分布外，还有FajfarP.和GaspersicP.提出的与质量向量和第一振型向量成比例的方法等。
第二类是适应型的分布形式。除了上面提到的方法外，还有每一荷载步随抗力变化而变化的分布模式。
第三类是与实际地震动相联系的分布模式。孙景江和钱稼茹[21]等对这类方法做出了先导性的贡献。
6目标位移的确定
结构的目标位移确定是PUSHOVER分析中的主要目标，其分析方法目前主要有等效单自由度方法、动力分析方法、能力谱方法、位移影响系数方法和适应谱方法。
（1）等效单自由度方法
该方法假定结构在地震作用下以某一振型反应且在反应过程中保持不变，因此可以把与结构等效的单自由度体系弹塑性时程分析的最大绝对位移作为目标位移。
（2）动力分析方法
Faella[22]认为，静力弹塑性分析法的目标位移取决于设计地震下动力时程分析得到的结构最大位移时，与动力时程分析获得的层间位移和柱子损伤才较吻合。因为动力时程分析输入加速度值有正有负，而Pushover方法采取单调加载，只模拟了左(或右)地震作用。
Tso和Moghadam[23]基于等位移原则采用弹性动力分析得到结构的目标位移，与基于等效非线性SDOF体系所得的具有同样的准确性。等位移原理：按弹性计算的谱位移值等于按弹塑性分析得到的谱位移值。该方法与等效单自由度法相比比较简便，不仅无需建立等效单自由度体系，而且能方便的确定多个目标位移，为需要做性能估计的每个杆件确定目标位移。
（3）能力谱方法
1975年Freeman等人提出了能力谱方法，通过地震需求曲线和结构能力曲线的叠加来评估结构在给定地震作用下的反应特性，这种方法其形象、直观、计算简单，因而受到广泛重视。能力谱方法中的需求谱多采用弹性反应谱，用等效阻尼考虑非线性特性，进行迭代求解目标位移。然而经研究发现,该方法有时迭代不收敛或不能收敛于正确解。
为此Chopra提出了改进的能力谱方法[5]，将需求曲线和能力曲线转换成相同格式绘在同一坐标图中，二者的交点即为目标位移点。这种方法经实例检验具有较好的计算精度，但是，场地条件等因素的影响目前尚未见系统研究。
（4）位移影响系数方法
位移系数法是利用PUSHOVER分析和修正的等位移近似法来确定结构的最大位移。FEMA-273(1997)推荐采用位移影响系数法来确定结构顶层的非线性最大期望位移，最大期望位移即为目标位移。
（5）适应谱方法
前面除了动力分析方法外都需要将结构简化为等效单自由度体系，而目前规范中的反应谱都是线弹性的，因此又必须等效成线弹性体系，这对于高阶振型不能忽略的结构是不合适的。文献[19]中提到的适应谱方法，采用的侧向荷载随结构动力特性的改变而变化，这样既体现了体现出结构和地震频谱特性的耦连效应又考虑了多振型的组合，而且不需要一系列的等效，求得的目标位移精度较高。
7结论
静力弹塑性分析方法是基于性能/位移设计的有效方法，是用静力荷载等效地震荷载对多遇地震作用下结构静动力特性估计的有效工具。该方法弥补了传统的基于承载力设计方法无法估计结构进入塑性阶段的缺陷，在计算结果相对准确的基础上，改善了动力时程分析方法技术复杂、计算工作量大、处理结果繁琐，又受地震波的不确定性、轴力和弯矩的屈服关系等因素影响的情况，非常简捷的求出结构非弹性效应、局部破坏机制、和整体倒塌的形成方式，进一步对旧建筑的抗震鉴定和加固，对新建筑的设计和抗震性能评估以及对设计方案进行修正等。PUSHOVER方法能较好反映了结构的性态，简单易行，易为工程设计人员接受。
PUSHOVER方法受很多因素的影响，比如对恢复力模型、滞回参数、加载路径、场地条件以及地震荷载的往复性等目前尚没有得出完全统一的结论。另外，由于PUSHOVER 方法两个基本假设严重影响了它的范围，对单一振型起控制作用的结构分析结果比较准确，对需要考虑高阶振型和地震扭转耦合效应的高层和不对称结构的分析结果误差较大，适应谱法虽然有一定的改进，但是仍需要更深入的研究，以使PUSHOVER方法更确定性的应用于所有结构。
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静力弹塑性分析方法（Pushover方法）与动力弹塑性分析方 法的优缺点 Pushover分析法 1、Pushover分析法优点： （1）作为一种简化的非线性分析方法，Pushover方法能够从整体上把握结构的抗侧力性能，可以对结构关键机构及单元进行评估，找到结构的薄弱环节，从而为设计改进提供参考。 （2）非线性静力分析可以获得较为稳定的分析结果，减小分析结果的偶然性，同时花费较少的时间和劳力，较之时程分析方法有较强的实际应用价值。 2、Pushover分析法缺点： （1）它假定所有的多自由度体系均可简化为等效单自由度体系，这一理论假定没有十分严密的理论基础。 （2）对建筑物进行Pushover分析时首先要确定一个合理的目标位移和水平加载方式，其分析结果的精确度很大程度上依赖于这两者的选择。（3）只能从整体上考察结构的性能，得到的结果较为粗糙。且在过程中未考虑结构在反复加载过程中损伤的累积及刚度的变化。不能完全真实反应结构在地震作用下性状。 二、弹塑性时程分析法 1、时程分析法优点： （1）采用地震动加速度时程曲线作为输入，进行结构地震反应分析，从而全面考虑了强震三要素，也自然地考虑了地震动丰富的长周期分量
对高层建筑的不利影响。 （2）采用结构弹塑性全过程恢复力特性曲线来表征结构的力学性质，从而比较确切地、具体地和细致地给出结构的弹塑性地震反应。 （3）能给出结构中各构件和杆件出现塑性铰的时刻和顺序，从而可以判明结构的屈服机制。 （4）对于非等强结构，能找出结构的薄弱环节，并能计算出柔弱楼层的塑性变形集中效应。 2、时程分析法缺点： （1）时程分析的最大缺点在于时程分析的结果与所选取的地震动输入有关，地震动时称所含频频成分对结构的模态n向应有选择放大作用，所以不同时称输入结果差异很大。 （2）时程分析法采用逐步积分的方法对动力方程进行直接积分，从而求得结构在地震过程中每一瞬时的位移、速度和加速度反应。所以此法的计算工作十分繁重，必须借助于计算机才能完成。而且对于大型复杂结构对计算机要求更高，耗时耗力。 （3）对工程技术人员素质要求较高，工程应用要求较高。从结构模型建立，材料本构的选取、地震波选取，到参数控制及庞大计算结果的整理及甄别都要求技术人员具有扎实的专业素质以及丰厚的工程经验。
静力弹塑性分析(Push-over Analy sis)方法的研究 赵 琦1 桑晓艳2 (1.陕西金泰恒业房地产有限公司 710075 西安; 2.陇县建设工程质量安全监督站 721200 陇县) 摘 要:本文介绍了静力弹塑性分析(Push-over Analysis)的基本原理及实施步骤,为实际工程设计提供了一定的参政价值。 关键词:静力弹塑性;性能评价 引言 随着科技的发展,抗震设计方法在不断的完善,但是人类对自然的认识水平是一个渐进过程,地震运动的自然现象也是一样的,现行的抗震设计方法与抗震构造措施,在建筑结构遭遇罕遇地震时,并不能够保证“大震不倒”。那么,如何正确地把握建筑结构在地震中的破坏状况,追踪结构在地震时反应的全过程,了解结构抗震的薄弱楼层和构件,这些在抗震设计过程中都是非常重要的。因此,在设计中利用结构的弹塑性分析来追踪结构在地震时反应的全过程,便于设计者发现结构抗震的薄弱楼层和构件,故是检验地震时结构抗倒塌能力的有效方法。 我国现行抗震规范实行的是以概率可靠度为基础的三水准设防原则,即“小震不坏,中震可修,大震不倒”。所谓的“不坏、可修、不倒”是规范给定的各类结构的最低功能要求,反映的是结构抗震设计的“共性”,不能根据结构用途以及业主要求的不同确定结构各自不同的功能水平,反映结构的“个性”。我国对高层结构的抗震设计主要是采用传统的抗震设计方法和构造措施来保障。这样,结构在罕遇地震下进入弹塑性阶段后,现有结构措施有可能无法保证结构具有充足的延性来耗散施加在结构上的地震能量,进而可能导致结构发生倒塌。静力弹塑性分析方法(Push -over Analy sis)是近年来国内、外兴起的一种等效非线性的静力分析法。这种方法能够揭示出在罕遇地震作用下结构实际的屈服机制,各塑性铰的出现顺序,进而暴露出结构的薄弱环节。我国抗震规范规定:不规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时严重破坏的建筑结构,可根据结构特点采用静力弹塑性分析或弹塑性时程分析方法。因此,采用静力弹塑性的分析方法,可以对结构在罕遇地震下的抗震性能进行分析研究,找出其中的薄弱环节,并通过相应的设计方法和构造措施予以加强,从而实现“大震不倒”的设计要求。静力弹塑性(Push-over)分析作为一种结构非线性响应的简化计算方法,比一般线性抗震分析更为合理和符合实际情况,在多数情况下它能够得出比静力弹性甚至动力分析更多的重要信息,且操作十分简便。 1.Push-over分析原理 静力弹塑性(Push-ov er)分析是一种考虑材料非线性来对建筑物的抗震性能进行评价的方法,其中还结合了最近在抗震设计方面很受重视的以性能为基本的抗震设计理论。性能基本设计法的目的是为了使设计人员明确地设定建筑物的目标性能,并为达到该性能而进行设计。故可采用一般方法进行设计后,通过Push-over分析对建筑物进行评价来判断其是否能够达到所设定的目标性能。 Push-over方法的应用范围主要集中于对现有结构或设计方案进行抗侧力能力的计算,从而得到其抗震能力的估计。这种方法从本质上说是一种静力非线性计算方法,对结构进行静力单调加载下的弹塑性分析。与以往的抗震静力计算方法不同之处主要在于它将设计反应谱引入了计算过程和计算成果的工程解释。具体地说,在结构分析模型上施加按某种方式
收稿日期:2003-02-16; 修订日期:2003-05-12 基金项目:华东建筑设计研究院有限公司第2001年度科研项目. 作者简介:汪大绥(1941-),男,江西乐平人,教授级高工,主要从事大型复杂结构设计与研究工作. 文章编号:100726069(2004)0120045209 静力弹塑性分析(Pushover Analysis )的 基本原理和计算实例 汪大绥 贺军利 张凤新 (华东建筑设计研究院有限公司,上海200002) 摘要:阐述了美国两本手册FE M A273/274和AT C -40中关于静力弹塑性分析的基本原理和方法,给出了利用ET ABS 程序进行适合我国地震烈度分析的计算步骤,并用一框剪结构示例予以说明,表明 Pushover 方法是目前对结构进行在罕遇地震作用下弹塑性分析的有效方法。 关键词:静力弹塑性;能力谱;需求谱;性能点中图分类号:P315.6 文献标识码:A The basic principle and a case study of the static elastoplastic analysis (pushover analysis) W ANG Da 2sui HE Jun 2li ZH ANG Feng 2xin (East China Architectural Design &Research Institute C o.,Ltd ,Shanghai 200002,China ) Abstract :This paper reviews the basic principles and methods of the static elasto 2plastic analysis (pushover analysis )in FE MA273/274and in AT C 240.Its main calculation procedures are summarized and a case study is presented for the frame 2shearwall structure designed according to China C ode for Seismic Design by means of ET ABS.It has been proved that pushover analysis is a effective method of structural elastoplastic analysis under the maximum earthquake action.K ey w ords :static elastoplastic ;capacity spectrum ;demand spectrum ;performance point 1 前言 利用静力弹塑性分析(Pushover Analysis )进行结构分析的优点在于: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,找到最先破坏的薄弱环节,从而使设计者仅对局部薄弱环节进行修复和加强,不改变整体结构的性能,就能使整体结构达到预定的使用功能;而利用传统的弹性分析,对不能满足使用要求的结构,可能采取增加新的构件或增大原来构件的截面尺寸的办法,结果是增加了结构刚度,造成了一定程度的浪费,也可能存在新的薄弱环节和隐患。 对多遇地震的计算,可以与弹性分析的结果进行验证,看总侧移和层间位移角、各杆件是否满足弹性极限要求,各杆件是否处于弹性状态;对罕遇地震的计算,可以检验总侧移和层间位移角、各个杆件是否超过弹塑性极限状态,是否满足大震不倒的要求。 20卷1期2004年3月 世 界 地 震 工 程 W OR LD E ARTH QUAKE E NGI NEERI NG V ol.20,N o.1 Mar.,2004
静力弹塑性分析方法与与动力弹塑性分析方法的优缺点 Pushover）分析法 1、静力弹塑性分析方法（Pushover）分析法优点： （1）作为一种简化的非线性分析方法，Pushover方法能够从整体上把握结构的抗侧力性能，可以对结构关键机构及单元进行评估，找到结构的薄弱环节，从而为设计改进提供参考。 （2）非线性静力分析可以获得较为稳定的分析结果，减小分析结果的偶然性，同时花费较少的时间和劳力，较之时程分析方法有较强的实际应用价值。 2、静力弹塑性分析方法（Pushover）分析法缺点： （1）它假定所有的多自由度体系均可简化为等效单自由度体系，这一理论假定没有十分严密的理论基础。 （2）对建筑物进行Pushover分析时首先要确定一个合理的目标位移和水平加载方式，其分析结果的精确度很大程度上依赖于这两者的选择。（3）只能从整体上考察结构的性能，得到的结果较为粗糙。且在过程中未考虑结构在反复加载过程中损伤的累积及刚度的变化。不能完全真实反应结构在地震作用下性状。 二、弹塑性时程分析法
1、时程分析法优点： （1）采用地震动加速度时程曲线作为输入，进行结构地震反应分析，从而全面考虑了强震三要素，也自然地考虑了地震动丰富的长周期分量对高层建筑的不利影响。 （2）采用结构弹塑性全过程恢复力特性曲线来表征结构的力学性质，从而比较确切地、具体地和细致地给出结构的弹塑性地震反应。 （3）能给出结构中各构件和杆件出现塑性铰的时刻和顺序，从而可以判明结构的屈服机制。 （4）对于非等强结构，能找出结构的薄弱环节，并能计算出柔弱楼层的塑性变形集中效应。 2、时程分析法缺点： （1）时程分析的最大缺点在于时程分析的结果与所选取的地震动输入有关，地震动时称所含频频成分对结构的模态n向应有选择放大作用，所以不同时称输入结果差异很大。 （2）时程分析法采用逐步积分的方法对动力方程进行直接积分，从而求得结构在地震过程中每一瞬时的位移、速度和加速度反应。所以此法的计算工作十分繁重，必须借助于计算机才能完成。而且对于大型复杂结构对计算机要求更高，耗时耗力。 （3）对工程技术人员素质要求较高，工程应用要求较高。从结构模型建立，材料本构的选取、地震波选取，到参数控制及庞大计算结果的整理及甄别都要求技术人员具有扎实的专业素质以及丰厚的工程经验。
第32卷 第2期 贵州工业大学学报(自然科学版) Vol.32No.2 2003年 4月 JOURNAL OF GUIZHOU UNIVERSI TY OF TEC HNOLOGY April.2003 (Natural Science Edition) 文章编号:1009-0193(2003)02-0089-03 地震工程中的静力弹塑性(pushover)分析法 冯峻辉,闫贵平,钟铁毅 (北方交通大学土建学院,北京100044) 摘 要:静力弹塑性(pushover)分析法在抗震结构的设计和评估中,尤其是基于性能/位移的抗 震设计中,具有很大的潜力。根据其发展背景和近况,评述了它在运用中的一些关键论点用于 性能评估的缺陷。为了预测地震反应,提出了一些可能的发展方向。 关键词:抗震设计;静力弹塑性分析;推倒分析 中图分类号:TU311.3 文献标识码:A 0 引 言 基于性能的抗震结构设计概念,包括了工程的设计,评估和施工等,要求在未来不同强度水平的地震作用下结构达到预期的性能目标[1]。为此需在工程实践中完成一个近似且简易的性能评估方法,通常所指的是静力弹塑性分析法(简称为推倒法)。由于推倒法的优点突出:考虑了结构的弹塑性特性,可用图形方式直观表达结构的能力与需求,通常比同一模型的动力分析更快且易于运行,可提供一个较可靠的结构性能预测等特点,正逐渐受到重视和推广。目前国内外许多组织把其纳入抗震规范,如美国的ATC-40,FE MA274等。我国也把其引入 建筑抗震设计规范 (GB50011-2001)。 1 推倒(Pushover)分析方法的原理,用途和实施过程 1.1 Pushover的原理和用途 推倒法是一个用于预测地震引起的力和变形需求的方法。其基本原理是:在结构分析模型上施加按某种方式(如均匀荷载,倒三角形荷载等)模拟地震水平惯性力的侧向力,并逐级单调加大,直到结构达到预定的状态(位移超限或达到目标位移),然后评估结构的性能。 推倒法可用于建筑物的抗震鉴定和加固,以及对新建结构的抗震设计和性能评估。它可以对所设计的地震运动作用在结构体系和它的组件上的抗震需求提供充足的信息,如对潜在脆性单元的真实力的需求,估计单元非弹性变形需求,个别单元强度退化时对结构体系行为作用的影响,对层间移位的估计(考虑了强度和高度不连续),对加载路径的证实等,其中一些是不能从弹性静力或动力分析中获得的。 1.2 Pushover的实施过程 推倒分析法的实施步骤为: 1.准备结构数据。包括建立结构模型,构件的物理常数和恢复力模型等; 2.计算结构在竖向荷载作用下的内力(将其与水平力作用下的内力叠加,作为某一级水平力作用下构件的内力,以判断构件是否开裂或屈服); 3.在结构每一层的质心处,施加沿高度分布的某种水平荷载。施加水平力的大小按以下原则确定:水平力产生的内力与2步所计算的内力叠加后,使一个或一批构件开裂或屈服; 4.对于开裂或屈服的构件,对其刚度进行修改后,再施加一级荷载,使得又一个或一批构件开裂或屈服; 5.不断重复3,4步,直至结构顶点位移足够大或塑性铰足够多,或达到预定的破坏极限状态。 6.绘制基础剪力 顶部位移关系曲线,即推倒分析曲线。 收稿日期:2002-10-25
静力弹塑性分析(Pushover分析) ■简介 Pushover分析是考虑构件的材料非线性特点，分析构件进入弹塑性状态直至到达极限状态时结构响应的方法。Pushover分析是最近在地震研究及耐震设计中经常采用的基于性能的耐震设计(Performance-Based Seismic Design, PBSD)方法中最具代表性的分析方法。所谓基于性能的耐震设计就是由用户及设计人员设定结构的目标性能(target performance)，并使结构设计能满足该目标性能的方法。Pushover分析前要经过一般设计方法先进行耐震设计使结构满足小震不坏、中震可修的规范要求，然后再通过pushover分析评价结构在大震作用下是否能满足预先设定的目标性能。 计算等效地震静力荷载一般采用如图2.24所示的方法。该方法是通过反应修正系数(R)将设计荷载降低并使结构能承受该荷载的方法。在这里使用反应修正系数的原因是为了考虑结构进入弹塑性阶段时吸收地震能量的能力，即考虑结构具有的延性使结构超过弹性极限后还可以承受较大的塑性变形，所以设计时的地震作用就可以比对应的弹性结构折减很多，设计将会更经济。目前我国的抗震规范中的反应谱分析方法中的小震影响系数曲线就是反应了这种设计思想。这样的设计方法可以说是基于荷载的设计(force-based design)方法。一般来说结构刚度越大采用的修正系数R越大，一般在1~10之间。 但是这种基于荷载与抗力的比较进行的设计无法预测结构实际
的地震响应，也无法从各构件的抗力推测出整体结构的耐震能力，设计人员在设计完成后对结构的耐震性能的把握也是模糊的。 基于性能的耐震设计中可由开发商或设计人员预先设定目标性能，即在预想的地震作用下事先设定结构的破坏程度或者耗能能力，并使结构设计满足该性能目标。结构的耗能能力与结构的变形能力相关，所以要预测到结构的变形发展情况。所以基于性能的耐震设计经常通过评价结构的变形来实现，所以也可称为基于位移的设计(displacement-based design)。 Capacity (elastic) Displacement V B a s e S h e a r 图 2.24 基于荷载的设计方法中地震作用的计算 Pushover 分析是评价结构的变形性能的方法之一，分析后会得到如图2.25所示的荷载－位移能力谱曲线。另外，根据结构耗能情况会得到弹塑性需求谱曲线。两个曲线的交点就是针对该地震作用结构所能发挥的最大内力以及最大位移点。当该交点在目标性能范围内，则表示该结构设计满足了目标性能要求。
静力弹塑性分析方法简介 摘要：pushover方法是基于性能/位移设计理论的一种等效静力弹塑性近似计算方法，该方法弥补了传统的基于承载力设计方法无法估计结构进入塑性阶段的缺陷，在计算结果相对准确的基础上，改善了动力时程分析方法技术复杂、计算工作量大、处理结果繁琐，又受地震波的不确定性、轴力和弯矩的屈服关系等因素影响的情况，能够非常简捷的求出结构非弹性效应、局部破坏机制、和整体倒塌的形成方式，便于进一步对旧建筑的抗震鉴定和加固，对新建筑的抗震性能评估以及设计方案进行修正等。pushover方法以其概念明确、计算简单、能够图形化表达结构的抗震需求和性能等特点，正逐渐受到研究和设计人员的重视和推广。目前，国内外论述pushover方法的文章已经很多，但大部分是针对某一方面的论述。为了给读者一个比较快速全面的认识，本文在综合大量文献的基础上，对pushover方法的基本原理、分析步骤、等效体系的建立、侧向荷载的分布形式等方面做了比较全面的论述。 关键词：基于性能抗震设计；静力弹塑性分析；动力时程分析方法；恢复力模型；目标位移 abstract：pushover is an equivalent static elastoplastic approximate method which based on performance or displacement design theory. this method offsets the drawback of the force-base method which can’t estimate the inelastic characteristic of the structure, and improves the situation
学习静力弹塑性分析方法总结 静力弹塑性分析（Push-over）方法最早是1975年由Freeman等提出的,以后虽有一定发展,但未引起更多的重视.九十年代初美国科学家和工程师提出了基于性能（Performance-based）及基于位移（Displacement-based）的设计方法,引起了日本和欧洲同行的极大兴趣,Push-over方法随之重新激发了广大学者和设计人员的兴趣,纷纷展开各方面的研究.一些国家抗震规范也逐渐接受了这一分析方法并纳入其中,如美国ATC-40、FEMA-273&274、日本、韩国等国规范.我国2001规范提出“弹塑性变形分析,可根据结构特点采用静力非线性分析或动力非线性分析”,这里的静力非线性分析,即主要即是指Push-over分析方法. 1、Push-over方法的基本原理和实施步骤 （1）基本原理 Push-over方法从本质上说是一种静力分析方法,对结构进行静力单调加载下的弹塑性分析.具体地说即是,在结构分析模型上施加按某种方式模拟地震水平惯性力的侧向力,并逐级单调加大,构件如有开裂或屈服,修改其刚度,直到结构达到预定的状态（成为机构、位移超限或达到目标位移）.其优点突出体现在：较底部剪力法和振型分解反应谱法,它考虑了结构的弹塑性特性；较时程分析法,其输入数据简单,工作量较小. （2）实施步骤 (a)准备结构数据：包括建立结构模型、构件的物理参数和恢复力模型等； (b)计算结构在竖向荷载作用下的内力（将与水平力作用下的内力叠加,作为某一级水 平力作用下构件的内力,以判断构件是否开裂或屈服）；
(c)在结构每层的质心处,沿高度施加按某种分布的水平力,确定其大小的原则是：水平力产生的内力与（b）步计算的内力叠加后,恰好 使一个或一批件开裂或屈服； (d)对于开裂或屈服的杆件,对其刚度进行修改后,再增加一级荷载,又使得一个或一批杆件开裂或屈服； (e)不断重复（c）、（d）步,直到结构达到某一目标位移（对于普通Push-over方法）、或结构发生破坏（对于能力谱设计方法）. 2、Push-over方法研究进展 （1）Push-over方法对结构性能评估的准确性 许多研究成果表明,Push-over方法能够较为准确（或具有一定的适用范围）反映结构的地震反应特征.Lawson和Krawinkler对6个 2~40层的结构（基本周期为0.22~2.05秒）Push-over分析结果与动力时程分析结果比较后,认为对于振动以第一振型为主、基本周期在2秒以内的结构,Push-over方法能够很好地估计结构的整体和局部弹塑性变形,同时也能揭示弹性设计中存在的隐患（包括层屈服机制、过大变形以及强度、刚度突变等）.Fajfar通过7层框剪结构试验结果与Push-over方法分析结果的对比得出结论,Push-over方法能够反映结构的真实强度和整体塑性机制,因此适宜于实际工程的设计和已有结构的抗震鉴定.Peter对9层框剪结构的弹塑性时程分析结果与Push-over方法分析结果进行了对比,认为无论是框架结构还是框剪结构,两种方法计算的结构最大位移和层间位移均很一致.Kelly考察了一幢17层框剪结构和一幢9层框架结构分别在1994年美国Northridge地震和1995年日本神户地震中的震害,并采用Push-over方法对两结构进行分析,发现Push-over方法能够对结构的最大反应和结构损伤进行合理地估计.Lew对一幢7层框架结构进行了非线性静力分析和非线性动力分析,发现非线性静力分析估计的构件的变形与非线性动力分析多条波计算结果的平均值大致相同.笔者曾对6榀框架（层数为3~16,基本周期为0.59~2.22秒）进行了Push-over分析与动力时程分析,发现两
弹塑性分析方法 静力弹塑性分析（PUSH-OVER ANAL YSIS）方法也称为推覆法，该方法基于美国的FEMA-273抗震评估方法和A TC-40报告，是一种介于弹性分析和动力弹塑性分析之间的方法，其理论核心是“目标位移法”和“承载力谱法”。 弹塑性时程分析方法将结构作为弹塑性振动体系加以分析，直接按照地震波数据输入地面运动，通过积分运算，求得在地面加速度随时间变化期间内，结构的内力和变形随时间变化的全过程，也称为弹塑性直接动力法。 1引言 《建筑抗震设计规范》5.5.2条规定，对于特别不规则的结构、板柱－抗震墙、底部框架砖房以及高度不大于150m的高层钢结构、7度三、四类场地和8度乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构宜进行弹塑性变形验算。对于高度大于150m的钢结构、甲类建筑等结构应进行弹塑性变形验算。《高层建筑混凝土结构技术规程》5.1.13条也规定，对于B级高度的高层建筑结构和复杂高层建筑结构，如带转换层、加强层及错层、连体、多塔结构等，宜采用弹塑性静力或动力分析方法验算薄弱层弹塑性变形。 历史上的多次震害也证明了弹塑性分析的必要性：1968年日本的十橳冲地震中不少按等效静力方法进行抗震设防的多层钢筋混凝土结构遭到了严重破坏，1971年美国San Fernando 地震、1975年日本大分地震也出现了类似的情况。相反，1957年墨西哥城地震中11～16层的许多建筑物遭到破坏，而首次采用了动力弹塑性分析的一座44层建筑物却安然无恙，1985年该建筑又经历了一次8.1级地震依然完好无损。 可以看出，随着建筑高度迅速增长，复杂程度日益提高，完全采用弹性理论进行结构分析计算和设计已经难以满足需要，弹塑性分析方法也就显得越来越重要。 2静力弹塑性分析 计算方法 (1) 建立结构的计算模型、构件的物理参数和恢复力模型等； (2) 计算结构在竖向荷载作用下的内力； (3) 建立侧向荷载作用下的荷载分布形式，将地震力等效为倒三角或与第一振型等效的水平荷载模式。在结构各层的质心处，沿高度施加以上形式的水平荷载。确定其大小的原则是：水平力产生的内力与前一步计算的内力叠加后，恰好使一个或一批杆件开裂或屈服； (4) 对于开裂或屈服的杆件，对其刚度进行修改后，再增加一级荷载，又使得一个或一批杆件开裂或屈服； (5) 不断重复步骤（3）、（4），直至结构达到某一目标位移或发生破坏，将此时的结构的变形和承载力与允许值比较，以此来判断是否满足“大震不倒”的要求。 计算模型 POA方法中结构的弹塑性是通过定义构件力和变形的关系曲线实现。对于梁和柱，可以较为准确的模拟。但是对于剪力墙，一直没有理想的计算模型，目前可以进行POA的商用计算软件包括MIDAS/GEN等，是将剪力墙简化为两根刚体梁通过非线性弹簧（包括轴向变形、弯曲变形、剪切变形弹簧）连接的形式，如图1所示，相对于壳单元而言比较粗糙。而SAP2000、ETABS等程序目前只能对框架结构进行POA分析，对于带剪力墙的结构只能人为简化为杆系模拟。 POA方法的优缺点
静力弹塑性分析(Pushover 分析) ■ 简介 Pushover 分析是考虑构件的材料非线性特点，分析构件进入弹塑性状态直至到达极限状态时结构响应的方法。Pushover 分析是最近在地震研究及耐震设计中经常采用的基于性能的耐震设计(Performance-Based Seismic Design, PBSD)方法中最具代表性的分析方法。所谓基于性能的耐震设计就是由用户及设计人员设定结构的目标性能(target performance)，并使结构设计能满足该目标性能的方法。Pus hover 分析前要经过一般设计方法先进行耐震设计使结构满足小震不坏、中震可修的规范要求，然后再通过pushover 分析评价结构在大震作用下是否能满足预先设定的目标性能。 计算等效地震静力荷载一般采用如图2.24所示的方法。该方法是通过反应修正系数(R)将设计荷载降低并使结构能承受该荷载的方法。在这里使用反应修正系数的原因是为了考虑结构进入弹塑性阶段时吸收地震能量的能力，即考虑结构具有的延性使结构超过弹性极限后还可以承受较大的塑性变形，所以设计时的地震作用就可以比对应的弹性结构折减很多，设计将会更经济。目前我国的抗震规范中的反应谱分析方法中的小震影响系数曲线就是反应了这种设计思想。这样的设计方法可以说是基于荷载的设计(force-based design)方法。一般来说结构刚度越大采用的修正系数R 越大，一般在1~10之间。 但是这种基于荷载与抗力的比较进行的设计无法预测结构实际的地震响应，也无法从各构件的抗力推测出整体结构的耐震能力，设计人员在设计完成后对结构的耐震性能的把握也是模糊的。 基于性能的耐震设计中可由开发商或设计人员预先设定目标性能，即在预想的地震作用下事先设定结构的破坏程度或者耗能能力，并使结构设计满足该性能目标。结构的耗能能力与结构的变形能力相关，所以要预测到结构的变形发展情况。所以基于性能的耐震设计经常通过评价结构的变形来实现，所以也可称为基于位移的设计(displacement-based design)。 Capacity (elastic) Displacement V B a s e S h e a r 图 2.24 基于荷载的设计方法中地震作用的计算
静力弹塑性分析方法（pushover法）的确切含义及特点 结构弹塑性分析方法有动力非线性分析（弹塑性时程分析）和静力非线性分析两大类。动力非线性分析能比较准切而完整的得出结构在罕遇地震下的反应全过程，但计算过程中需要反复迭代，数据量大，分析工作繁琐，且计算结果受到所选用地震波及构件恢复力和屈服模型的影响较大，一般只在设计重要结构或高层建筑结构时采用。 静力弹塑性分析方法，是对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析的一种简化方法，从本质上说它是一种静力分析方法。具体地说，就是结构计算模型上施加按某种规则分布的水平侧向力，单调加载并逐级加大；一旦构件开裂（或屈服）即修改其刚度（或使其推出工作），进而修改结构总刚度矩阵，进行下一步计算，依次循环直到结构达到预定的状态（成为机构、位移超限或达到目标位移），从而判断是否满足相应的抗震能力要求。 静力弹塑性分析方法（pushover法）分为两个部分，首先建立结构荷载－位移曲线，然后评估结构的抗震能力，基本工作步骤为： 第一步：准备结构数据：包括建立模型、构件的物理参数和恢复力模型等； 第二步：计算结构在竖向荷载作用下的内力。 第三步：在结构每层质心处，沿高度施加按某种规则分布的水平力（如：倒三角、矩形、第一振型或所谓自适应振型分布等），确定其大小的原则是：施加水平力所产生的结构内力与第一步计算的内力叠加后，恰好使一个或一批构件开裂或屈服。在加载中随结构动力特征的改变而不断调整的自适应加载模式是比较合理的，比较简单而且实用的加载模式是结构第一振型。 第四步：对于开裂或屈服的杆件，对其刚度进行修改，同时修改总刚度矩阵后，在增加一级荷载，又使得一个或一批构件开裂或屈服； 不断重复第三、四步，直到结构达到某一目标位移（当多自由度结构体系可以等效为单自由度体系时）或结构发生破坏（采用性能设计方法时，根据结构性能谱与需求谱相交确定结构性能点）。 对于结构振型以第一周期为主、基本周期在2s以内的结构，pushover方法能够很好地估计结构的整体和局部弹塑性变形，同时也能揭示弹性设计中存在的隐患（包括层屈服机制、过大变形以及强度、刚度突变等）。 在实际计算中必须注意一下几个问题： （1）、计算模型必须包括对结构重量、强度、刚度及稳定性有较大影响的所有结构部件。 （2）对结构进行横向力增量加载之前，必须把所有重力荷载（恒载和参加组合的活荷载）施加在相应位置。
浅谈静力弹塑性分析（Pushover ）的理解与应用 摘要：本文首先介绍采用静力弹塑性分析（Pushover ）的主要理论基础和分析方法，以Midas/Gen 程序为例，采用计算实例进行具体说明弹塑性分析的步骤和过程，表明Pushover 是罕遇地震作用下结构分析的有效方法。 关键词：静力弹塑性 Pushover Midas/Gen 能力谱 需求谱 性能点 一、基本理论 静力弹塑性分析方法，也称Pushover 分析法，是基于性能评估现有结构和设计新结构的一种静力分析方法，在一定精度范围内对结构在罕遇地震作用下进行弹塑性变形分析。简要地说，在结构计算模型上施加按某种规则分布的水平侧向力或侧向位移，单调加荷载（或位移）并逐级加大；一旦有构件开裂（或屈服）即修改其刚度（或使其退出工作），进而修改结构总刚度矩阵，进行下一步计算，依次循环直到控制点达到目标位移或建筑物倾覆为止，得到结构能力曲线，之后对照确定条件下的需求谱，并判断是否出现性能点，从而评价结构是否能满足目标性能要求。 Pushover 分析的基本要素是能力谱曲线和需求谱曲线，将两条曲线放在同一张图上，得出交会点的位移值，同位移容许值比较，检验是否满足特定地震作用下的弹塑性变形要求。能力谱曲线由能力曲线（基底剪力-顶点位移曲线）转化而来（图1）。与地震作用相应的结构基底剪力与结构加速度为正相关关系，顶点位移与谱位移为正相关关系，两种曲线形状一致。 其对应关系为： 1/αG V S a = roof roof d X S ,11γ?= ， 图1 基底剪力-顶点位移曲线转换为能力谱曲线 其中1α、1γ、roof X ,1分别为第一阵型的质量系数，参与系数、顶点位移。该曲线与主要建筑材料的本构关系曲线具有相似性，其实其物理意义亦有对应，在初始阶段作用力与变形为线性关系，随着作用力的增大，逐渐进入弹塑性阶段，变形显著增长，不论对于构件，还是结构整体，都是这个规律。 需求谱曲线由标准的加速度响应谱曲线转化而来。标准的加速度响应谱纵坐标为谱加速度，横坐标为周期，将横坐标替换为谱位移，可得到加速度-位移反应谱，即需求反应谱（图2）。周期与谱位移的对应关系为： g S T S a d 22 4π=
静力弹塑性分析方法的适用性浅析 摘要：主要阐述了美国两本手册FEMA273/274和ATC-40关于静力弹塑性分析的原理和基本方法，通过一些资料的分析，证明Pushover方法是目前对结构进行大震作用下弹塑性分析的有效方法。 1 前言 使用静力弹塑性方法（PushoverAnalysis）进行结构分析的优点在于：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，找到最先破坏的薄弱环节，从而使设计者仅对局部薄弱环节进行修复和加强，不改变整体结构的性能，就能使整体结构达到预定的使用功能；而利用传统的弹性分析，对不能满足使用要求的结构，可能采取增加新的构件或增大原来构件的截面尺寸的办法，结果是增加了结构刚度，造成了一定浪费，也可能存在新的薄弱环节和隐患。 对多遇地震的计算，可以与弹性分析的结果进行验证，看总侧移和层间位移角、各杆件是否满足弹性极限要求，各杆件是否处于弹性状态；对罕遇地震的计算，可以检验总侧移和层间位移角、各个杆件是否超过弹塑性极限状态，是否满足大震不倒的要求。 2 静力弹塑性方法的基本原理 现行的大多数软件提供的Pushover的分析方法，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），另一本则是美国联邦管理厅出版的《房屋抗震指南》（FEMA273/274），然而Pushover的主干部分，即该计算方法的分析
部分采用的是能力谱法，来自于ATC-40。 其主要部分由以下几步组成： 1）在结构上施加竖向荷载并且维持不变，然后单调逐级增加沿高度方向按一定规则分布的水平荷载，考虑材料非线性以及几何非线性效应进行增量非线性求解，每一级加载后更新结构刚度矩阵。计算结构的基底剪力-顶点位移曲线。 2）建立能力谱线 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，因此将基底剪力-顶点位移曲线转换为谱加速度-谱位移曲线，即能力谱曲线。 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。对于弹性需求谱，可通过将标准加速度Sa反应谱和位移Sd反应谱画在同一坐标系上，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之间存在的关系。从而得到Sa和Sd之间的关系曲线，即AD格式的需求谱。 3 静力弹塑性分析方法的工程应用 静力弹塑性分析并不是一种新的方法，但由于其能提供结构在侧向力作用下的能力或性能数据，符合当前正在研究发展的基于性能抗震设计的需要，因此该方法在近年来得到普遍重视和广泛研究。 静力弹塑性分析可以对已建、待建或初步设计已完成的结构进行抗震性能的评估，已在实际工程应用中得到不同的应用。此方法在工程的应用主要归结为以下几个方面：
收稿日期:2003-02-16; 修订日期:2003-05-12 基金项目:华东建筑设计研究院有限公司第2001年度科研项目. 作者简介:汪大绥(1941-),男,江西乐平人,教授级高工,主要从事大型复杂结构设计与研究工作. 文章编号:1007 6069(2004)01 0045 09 静力弹塑性分析(Pushover Analysis)的 基本原理和计算实例 汪大绥 贺军利 张凤新 (华东建筑设计研究院有限公司,上海200002) 摘要:阐述了美国两本手册FE MA273/274和ATC-40中关于静力弹塑性分析的基本原理和方法,给出了利用E TABS 程序进行适合我国地震烈度分析的计算步骤,并用一框剪结构示例予以说明,表明Pushover 方法是目前对结构进行在罕遇地震作用下弹塑性分析的有效方法。关键词:静力弹塑性;能力谱;需求谱;性能点中图分类号:P315.6 文献标识码:A The basic principle and a case study of the static elastoplastic analysis (pushover analysis) WANG Da sui HE Jun li ZHANG Feng xin (Eas t Chi na Architec tural Desi gn &Research Institute Co.,Ltd,Shanghai 200002,China) Abstract:This paper revie ws the basic principles and methods of the static elasto plastic analysis (pushover analysis)in FE MA273/274and in ATC 40.Its main calculation procedures are summarized and a case study is presented for the fra me shear wall structure designed according to China Code for Seismic Design by means of E TAB S.It has been proved that pushover analysis is a effec tive method of structural elastoplastic analysis under the ma ximum earthquake action.Key words:static elastoplastic;capacity spectrum;de mand spectrum;performance point 1 前言 利用静力弹塑性分析(Pushover Analysis)进行结构分析的优点在于: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,找到最先破坏的薄弱环节,从而使设计者仅对局部薄弱环节进行修复和加强,不改变整体结构的性能,就能使整体结构达到预定的使用功能;而利用传统的弹性分析,对不能满足使用要求的结构,可能采取增加新的构件或增大原来构件的截面尺寸的办法,结果是增加了结构刚度,造成了一定程度的浪费,也可能存在新的薄弱环节和隐患。 对多遇地震的计算,可以与弹性分析的结果进行验证,看总侧移和层间位移角、各杆件是否满足弹性极限要求,各杆件是否处于弹性状态;对罕遇地震的计算,可以检验总侧移和层间位移角、各个杆件是否超过弹塑性极限状态,是否满足大震不倒的要求。 20卷1期2004年3月 世 界 地 震 工 程 WORLD EARTHQUAKE E NGINEERING Vol.20,No.1Mar.,2004
超高层建筑结构静力弹塑性分析 于定富 西安建筑科技大学建筑深圳设计分院，深圳(518000) E-mail：yudfu@https://www.doczj.com/doc/ae15002891.html, 摘要：上海某北塔楼是带加强层巨型柱核心筒超高层结构, 塔楼从室外地面至主屋面装饰体之高度约为260m，地上共58层。单体建筑面积 ( 地上 )141,890 平方米。主屋面上设约 15 至 20m 高钢桁架构筑物。塔楼范围设 3 层地下室 ( 其中局部有二夹层 ) 。地下1，2，3层之层高分别为6.2m，8.3m，3.55m（不含疏水层厚度）,存在加强层及伸臂桁架的钢-混凝土组合结构.静力弹塑性分析采用中国建筑科学研究院的程序PKPM系列PUSH进行。该程序是一个三维有限元空间弹塑性静力分析程序，利用PKPM的PUSH建立了上海某北塔楼的三维非线性有限元模型,并进行了推覆分析,得到了结构的层间位移和层间位移角,找出了结构 的薄弱部位,分析了构件的屈服和破坏规律,对同类工程的分析有较高的参考价值。 关键词:结构工程；弹塑性分析；push- over；反应谱；结构抗震性能评价 1. 引言 现行的《建筑抗震设计规范》（G B50011-2001）中，3.6.2 条为：“......罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。此时，可根据结构特点采用静力弹塑性分析或弹塑性时程分析方法[2]。”这里的静力弹塑性分析，即静力非线性分析，除了指一般的与反应谱结合不密切的非线性静力分析外，也包括了push-over方法。《抗规》条文说明5.5.3 明确提出“......较为精确的结构弹塑性分析方法，可以是三维的静力弹塑性（如push-over方法）......”。因为弹塑性时程分析对计算机软硬件和分析人员要求较高，工作量也较大，在一段时期内不容易成为一种被广泛采用的方法。因此逐步推广push-over这种较一般静力分析有许多改进而且相对简便易行的方法，在目前是一种可行的方向[3]。 2. 原理与实施步骤 2.1 原理 Push-over方法是近年来在国外得到广泛应用的一种结构抗震能力评价的新方法，其应用范围主要集中于对现有结构或设计方案进行抗震能力的估计。这种方法从本质上说是一种静力非线性计算方法，与以往的抗震静力计算方法不同之处主要在于它将设计反应谱引入了计算过程和计算成果的工程解释。这种方法的优点在于：水平力的大小是根据结构在不同工作阶段的周期由设计反应谱求得，而分布则根据结构的振型变化求得[1]。 2.2 实施步骤 （1）准备工作：建立结构模型，包括几何尺寸、物理参数以及节点和构件的编号，并输入构件的实配钢筋以便求出各个构件的塑性承载力。（2）求出结构在竖向荷载作用下的内力。这时还要求出结构的基本自振周期。（3）施加一定量的水平荷载。水平力大小的确定原则是：水平力产生的内力与第(2)步竖向荷载产生的内力叠加后，恰好能使一个或一批构件进入屈服。（4）对在上一步进入屈服的构件的端部，设定塑性铰点变更结构的刚度，这样，相当于形成了一个新的结构。求出这个“新”结构的自振周期，在其上再施加一定量的水平荷载，又使一个或一批构件恰好进入屈服。（5）不断地重复第(4)步，直到结构的侧向位移达到预定的破坏极限。记录每一次有新的塑性铰出现后结构的周期，累计每一次施加的荷载。（6）成果整理：将每一个不同的结构自振周期及其对应的地震影响系数绘成曲线，也