钢框架在三向地震作用下的弹塑性时程分析
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框架结构抗震设计—静力弹塑性分析法摘要:静力弹塑性分析法(Push-Over)是一种基于性能的抗震设计方法,已被越来越多的人认可和使用,本文重新梳理了Push-Over方法的水平加载原理及方法,明确了能力谱和需求谱及性能点三者的关系和意义。
利用框架结构的Push-Over曲线,介绍结构的性能点,并对结构的抗震能力进行验证,判断其抗震性能。
关键词:静力弹塑性分析(Push-Over分析);框架结构;能力谱;需求谱;性能点1引言近年来,地震一次又一次袭击我们的家园近,2008年发生在四川汶川的8.0级大地震,死亡人数69227人,直接经济损失8451亿;2015年发生在尼泊尔的8.1级大地震,死亡人数8219人,直接经济损失348.84亿。
这一组组触目惊心的数据,都无时无刻不在警告我们工程人员,良好的抗震减震设计和优异的施工质量是当前中国乃至全世界都应该做到的,这样可以保证我们的房屋、桥梁及隧道做到大震不倒、中震可修、小震不坏。
如何提高建筑物的抗震能力、是否有更先进的抗震设防理念,是摆在科研工作者面前最急迫也是最艰难的问题。
抗震设计分析大致经历了一下几个阶段,静力理论阶段、反应谱理论阶段、动力理论阶段及基于性能的抗震设计理论阶段。
基于性能的抗震设计理论中最主要的两种设计方法是:一、弹塑性时程分析法;二、静力弹塑性分析理论(Push - Over法)。
静力弹塑性分析理论作为一种简单而有效的抗震设计理论已越来越被广大科研人员和设计人员所接受。
广大科研人员已经将其应用于房屋建筑、桥梁及其他结构的抗震设计中。
钢筋混凝土框架结构、层间隔震结构、钢结构及钢管混凝土结构的静力弹塑性分析均进行了大量的理论研究和实际应用]。
本文应用Push - Over方法对某钢筋混凝土框架结构厂房进行抗震性能分析。
2 静力弹塑性分析方法静力弹塑性分析(Push - Over)是在结构上施加竖向静载和活荷载并保持不变,同时施加沿高度分布的某种水平荷载或位移作用,随着水平作用的不断增加,结构构件逐渐进入塑性状态,结构的梁、柱和剪力墙等构件出现塑性铰,最终达到结构侧向破坏。
建筑结构学报JOurnaI Of BuiIding Structures 第21卷第4期VOI.21,NO.42000年8月Aug.,2000文章编号:1000-6869(2000)-04-0028-06型钢混凝土框架模型的弹塑性地震反应分析薛建阳1,赵鸿铁2(1.西安交通大学力学博士后流动站,陕西西安710049;2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055)基金项目:国家自然科学基金(59378363)资助。
作者简介:薛建阳(1970-),男(汉族),河南洛阳人,副教授,博士。
1前言型钢混凝土(SRC )结构是钢筋混凝土内含型钢的一种组合结构,由于其承载能力高、刚度大、延性及耗能性能好等优点,已开始应用于大跨结构和地震区的高层建筑。
SRC 结构比钢结构可节省钢材,降低造价,而且在防火和防腐防锈方面都明显优越。
由于SRC 构件比钢构件刚度大得多,即使在高层钢结构中,底部几层也往往为SRC 结构。
与普通钢筋混凝土(RC )结构相比,它可以有效地减小构件截面,满足净空要求。
此外,型钢在混凝土浇筑之前即已形成钢结构,承受构件自重和其它施工荷载,极大地便利施工。
由于SRC 结构整体性强,延性好,其抗震性能比RC 结构有较大的改善。
日本1923年的关东大地震中,SRC 房屋几乎没有破坏[1],其优越性逐渐被人们所认知,日本抗震规范规定,高度超过45m 的建筑物不得使用钢筋混凝土结构,而型钢混凝土结构则不受此限制。
我国也是一个多地震国家,绝大多数地区为地震区,甚至位于高烈度区,因此推广SRC 结构就具有非常重要的现实意义。
目前,国内对SRC 的研究多集中于基本构件的力学行为,对地震作用下结构整体的受力性能还缺乏系统的试验资料,对结构破坏机制仍没有全面清楚的认识,因此,SRC 结构的设计计算理论和构造方法都需进一步发展和完善。
2试验概况!"#模型设计试件为两跨三层的SRC 平面框架,采用实腹式配钢,共制作两榀,设计烈度为8度。
地震作用下三层钢框架结构的弹塑性响应分析
田钦;胡振秋;霍振坤;黄发明
【期刊名称】《南昌大学学报:工科版》
【年(卷),期】2022(44)2
【摘要】为验证结构抗震公式的合理性,基于有限元软件ABAQUS,分别采用板壳模型和多尺度模型模拟三层钢框架结构,当地震波以垂直于钢框架截面强轴方向作用在框架底部两个参考点上时,进行钢框架模型的弹塑性响应分析。
结果表明采用多尺度模型分析出的位移-时间曲线与板壳模型所得曲线接近,证实了兼顾计算精度和计算效率的多尺度模型能被用于钢框架模型的弹塑性响应分析。
轴压比分别取0和0.2,长细比取50时,通过理论公式计算损伤域长度分别为83.5,110.84 mm。
经有限元分析,钢框架各层损伤域长度分别为85,80,83 mm和104,108,115 mm,从而验证了地震波作用下板壳节段取值公式的合理性。
【总页数】5页(P155-159)
【作者】田钦;胡振秋;霍振坤;黄发明
【作者单位】南昌大学工程建设学院;江西省近零能耗建筑工程实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TU391
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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。
基本原理多自由度体系在地面运动作用下的振动方程为:式中、、分别为体系的水平位移、速度、加速度向量;为地面运动水平加速度,、、分别为体系的刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵。
将强震记录下来的某水平分量加速度-时间曲线划分为很小的时段,然后依次对各个时段通过振动方程进行直接积分,从而求出体系在各时刻的位移、速度和加速度,进而计算结构的内力。
式中结构整体的刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵通过每个构件所赋予的单元和材料类型组装形成。
动力弹塑性分析中对于材料需要考虑包括:在往复循环加载下,混凝土及钢材的滞回性能、混凝土从出现开裂直至完全压碎退出工作全过程中的刚度退化、混凝土拉压循环中强度恢复等大量非线性问题。
基本步骤弹塑性动力分析包括以下几个步骤:(1) 建立结构的几何模型并划分网格;(2) 定义材料的本构关系,通过对各个构件指定相应的单元类型和材料类型确定结构的质量、刚度和阻尼矩阵;(3) 输入适合本场地的地震波并定义模型的边界条件,开始计算;(4) 计算完成后,对结果数据进行处理,对结构整体的可靠度做出评估。
计算模型在常用的商业有限元软件中,ABAQUS、ADINA、ANSYS、MSC.MARC都内置了混凝土的本构模型,并提供了丰富的单元类型及相应的前后处理功能。
在这些程序中一般都有专用的钢筋模型,可以建立组合式或整体式钢筋。
以ABAQUS为例,它提供了混凝土弹塑性断裂和混凝土损伤模型以及钢筋单元。
其中弹塑性断裂和损伤的混凝土模型非常适合于钢筋混凝土结构的动力弹塑性分析。
它的主要优点有:(1) 应用范围广泛,可以使用在梁单元、壳单元和实体单元等各种单元类型中,并与钢筋单元共同工作;(2) 可以准确模拟混凝土结构在单调加载、循环加载和动力荷载下的响应,并且可以考虑应变速率的影响;(3) 引入了损伤指标的概念,可以对混凝土的弹性刚度矩阵进行折减,可以模拟混凝土的刚度随着损伤增加而降低的特点;(4) 将非关联硬化引入到了混凝土弹塑性本构模型中,可以更好的模拟混凝土的受压弹塑性行为,可以人为指定混凝土的拉伸强化曲线,从而更好的模拟开裂截面之间混凝土和钢筋共同作用的情况;(5) 可以人为的控制裂缝闭合前后的行为,更好的模拟反复荷载作用下混凝土的反应。
钢框架结构在地震作用下的弹塑性建模关键节点分析研究王挺1发布时间:2021-08-16T06:16:23.689Z 来源:《房地产世界》2021年7期作者:王挺1 张经2 胡新当3[导读] 结合具体钢框架结构案例,简述钢结构中弹塑性静力解析方式的分析方法,以及在分析过程中所采用的的基本原理与分析步骤,同时结合实施例,剖析三维建模过程中的模型构件要点和重难点,将建模的易错点与敏感点解析完全,保证数值模拟的准确性,为同类型的钢框架或者类似工况的钢结构数值分析提供一个较为有效的地震作用下的建模参考。
1.浙大城市学院;2.浙江瑞融建设集团有限公司;3.明珠建设集团有限公司摘要:结合具体钢框架结构案例,简述钢结构中弹塑性静力解析方式的分析方法,以及在分析过程中所采用的的基本原理与分析步骤,同时结合实施例,剖析三维建模过程中的模型构件要点和重难点,将建模的易错点与敏感点解析完全,保证数值模拟的准确性,为同类型的钢框架或者类似工况的钢结构数值分析提供一个较为有效的地震作用下的建模参考。
关键词:钢框架;地震作用;弹塑性建模;节点分析Analysis and Research on Key Nodes of Elastoplastic Modeling of Steel Frame Structure Under Earthquake ActionAbatract:Combined with a specific steel frame structure case,the analysis method of elastic-plastic static analysis method in steel structure,as well as the basic principles and analysis steps used in the analysis process are briefly described. At the same time,combined with the example,the key points and key and difficult points of model components in the process of three-dimensional modeling are analyzed,and the error prone points and sensitive points of modeling are completely analyzed to ensure the accuracy of numerical simulation,It provides a more effective modeling reference for the numerical analysis of the same type of steel frame or steel structure under similar conditions.Keyword:steel frame;seismic action;elastoplastic modeling;node analysis近年来社会经济高速发展,钢框架结构应用的越来越多,并且呈现出显著的优势。
浅谈钢骨混凝土地震下的弹塑性分析【摘要】:用Midas软件对钢骨混凝土框架结构进行地震作用下的分析,为结构提供更安全可靠的强度计算奠定基础。
钢骨混凝土框架结构抗震性能,地震波作用方向对结构抗震影响明显,增加建筑高度不利于结构抗震,提高混凝土强度等级有利于减小侧向变形,在柱中设置钢骨后抗震能力得到很大的提高。
【关键词】:钢骨混凝土、地震作用、Midas、弹塑性分析我国是一多地震国家,绝大多数地区为地震区,在建筑中加强其抗震性能,提高安全保障,在强地震区推广抗震结构体系也有其重大意义。
钢骨混凝土结构多次在地震中经受了考验,充分展示了它的优越抗震性能。
随着研究的逐步深入,钢骨混凝土框架结构逐步规模运用,而国家对钢骨混凝土框架结构整体的在地震作用下的弹塑性分析相对较少。
型钢可以分为实腹式和空腹式两大类。
实腹式型钢可由型钢或钢板焊成,常用的截面型式有I、H、工、T、槽形等和矩形及圆形钢管。
空腹式构件的型钢一般由缀板或缀条连接角钢或槽钢而组成。
由型钢混凝土柱和梁可以组成型钢混凝土框架。
框架梁可以采用钢梁、组合梁或钢筋混凝土梁。
在高层建筑中,型钢混凝土框架中可以设置钢筋混凝土剪力墙,在剪力墙中也可以设置型钢支撑或者型钢桁架,或在剪力墙中设置薄钢板,这样就组成了各种型式的型钢混凝土剪力墙。
型钢混凝土剪力墙的抗剪能力和延性比钢筋混凝土剪力墙好,可以在超高层建筑中发挥作用。
我国《工程结构可靠性统一标准GB50153-2008》规定构件按极限状态设计,承载能力极限状态要求采用荷载效应组合得到的构件最不利内力进行构件截面承载力验算。
其构件承载力验算表达式如下短暂持久设计状况:地震设计状况在地震中,弹塑性层间位移可按下列公式计算则有层间弹塑性位移应符合下式要求根据《高层建筑混凝土结构技术规程》3.8.2条规定,钢筋混凝土构件的承载力抗震调整系数是小于1.0的,也就是说,这是一种安全度的调整。
当只考虑竖向地震作用的时候,各类构件的承载力抗震调整系数应为1.0。
强烈地震作用下钢框架的损伤退化行为强烈地震作用下钢框架的损伤退化行为随着城市建设的不断发展,钢结构已成为现代建筑中常见的一种结构形式。
然而,当强烈地震袭击时,钢框架结构会面临严重的损伤和退化问题。
了解这种行为对于提高建筑物的抗震能力以及钢结构的设计和维护具有重要意义。
强烈地震作用下,钢框架的损伤退化行为可以分为两个阶段:弹性变形和塑性变形阶段。
在地震初期,当加载作用下达到结构的弹性极限时,钢框架会发生弹性变形。
在这个阶段,结构还能够恢复到地震前的初始状态,没有明显的结构破坏。
然而,当地震强度迅速增加时,钢框架会进入塑性变形阶段。
在塑性变形阶段,钢框架的结构将呈现出不同程度的塑性变形,而这些塑性变形会导致结构的刚度和强度急剧下降。
最常见的钢框架损伤形式包括脆性破坏、弯曲变形、屈曲、撕裂以及钢材的蠕变行为。
这些损伤行为会使得结构发生位移和变形,从而对建筑物和其中的人员造成严重的风险和威胁。
首先,脆性破坏是强烈地震下钢框架最常见的损伤形式之一。
当结构承受超过其强度极限的地震力时,钢材往往会发生断裂或脆性破坏。
这种破坏往往是突然的、不可逆转的,给建筑物和其中的人员带来巨大的损失。
其次,弯曲变形也是地震作用下钢框架的常见损伤行为之一。
弯曲变形会导致结构整体的位移和变形,使得建筑物失去原有的稳定性。
这种损伤行为在地震过后往往很难修复,需要进行详细的结构评估和修复工作。
此外,屈曲和撕裂也是地震作用下钢框架损伤的常见形式。
在地震作用下,当结构受到极大的压力和拉力时,钢材会发生屈曲或撕裂。
这些损伤形式会导致结构的强度和刚度明显下降,从而增加了结构的风险和危害。
最后,钢材的蠕变行为也是地震作用下钢框架损伤的一个重要因素。
长期受到强烈地震力作用下,钢材可能会发生蠕变现象,即在长期受力下产生不可逆转的塑性变形。
这种行为会使得结构整体的刚度和强度下降,增加结构的破坏风险。
针对以上损伤退化行为,为提高钢框架的抗震能力,需要采取一系列的措施。
钢-钢筋混凝土杆系结构三维地震作用下弹塑性时程分析的开题报告一、研究背景钢筋混凝土结构是广泛应用于民用建筑和工业建筑领域的一种主要结构形式。
在地震等极端环境下,结构组件将受到显著的弯曲和剪切应力,导致可能的失稳和坍塌。
因此,对钢筋混凝土结构的地震响应分析和评估是非常重要的。
本研究的目的是通过弹塑性时程分析,研究钢-钢筋混凝土杆系结构在三维地震作用下的动力响应特性。
该研究有助于更好地理解结构在地震作用下的响应机制,为结构抗震设计提供参考依据。
二、研究内容1.建立钢-钢筋混凝土杆系结构的有限元模型,包括结构组件的几何形状、材料性质和边界条件等。
2.确定地震作用下的荷载谱,采用三维地震波进行动态分析。
3.采用弹塑性时程分析方法,对结构进行地震响应分析。
4.对结构的位移、加速度和应力等参数进行分析和评价,探讨结构的强度和韧性等性能指标。
三、研究意义本研究可为钢-钢筋混凝土杆系结构的抗震设计提供参考依据。
通过分析结构的弹塑性时程响应,可以更好地了解结构在地震作用下的变形和破坏特性。
同时,本研究可以为结构加固设计提供理论基础,提高结构的耐震能力和安全性。
四、研究方法本研究采用有限元方法进行建模和分析,使用弹塑性时程分析方法对结构进行地震响应分析。
同时,通过对结构的位移、加速度和应力等参数进行分析和评价,探讨结构的强度和韧性等性能指标。
五、预期结果预计本研究能够深入了解钢-钢筋混凝土杆系结构在地震作用下的动力响应特性。
通过分析结构的弹塑性时程响应,可以更好地了解结构在地震作用下的变形和破坏特性。
同时,本研究可以为结构加固设计提供理论基础,提高结构的耐震能力和安全性。
弹塑性时程分析用地震波选取的基本原则2010-06-06 20:14:20| 分类:结构设计相关| 标签:高层建筑地震地震波地震资料|字号大中小订阅地震动具有强烈随机性,分析表明,结构的地震反应随输入地震波的不同而差距很大,相差高达几倍甚至十几倍之多。
故要保证时程分析结果的合理性,必须合理选择输入地震波。
归纳起来,选择输入地震波时应当考虑以下几方面的因素:峰值、频谱特性、地震动持时以及地震波数量,其中,前三个因素称为地震动的三要素。
1、峰值调整地震波的峰值一定程度上反映了地震波的强度,因此要求输入结构的地震波峰值应与设防烈度要求的多遇地震或罕遇地震的峰值相当,否则应按下式对该地震波的峰值进行调整。
A′(t) = (A′max/A max) A (t)其中,A′(t) 和A′max分别为地震波时程曲线与峰值,A′max取设防烈度要求的多遇或罕遇地震的地面运动峰值; A (t) 和Amax分别为原地震波时程曲线与峰值。
2、频谱特性频谱即地面运动的频率成分及各频率的影响程度。
它与地震传播距离、传播区域、传播介质及结构所在地的场地土性质有密切关系。
地面运动的特性测定表明,不同性质的土层对地震波中各种频率成分的吸收和过滤的效果是不同的。
一般来说,同一地震,震中距近,则振幅大,高频成分丰富;震中距远,则振幅小,低频成分丰富。
因此,在震中附近或岩石等坚硬场地土中,地震波中的短周期成分较多,在震中距很远或当冲积土层很厚而土质又较软时,由于地震波中的短周期成分被吸收而导致长周期成分为主。
合理的地震波选择应从两个方面着手:1) 所输入地震波的卓越周期应尽可能与拟建场地的特征周期一致。
2) 所输入地震波的震中距应尽可能与拟建场地的震中距一致。
3、地震动持时地震动持时也是结构破坏、倒塌的重要因素。
结构在开始受到地震波的作用时,只引起微小的裂缝,在后续的地震波作用下,破坏加大,变形积累,导致大的破坏甚至倒塌。
有的结构在主震时已经破坏但没有倒塌,但在余震时倒塌,就是因为震动时间长,破坏过程在多次地震反复作用下完成,即所谓低周疲劳破坏。
设防地震作用下对房屋结构进行弹塑性时程分析高少波;李文君;张德成;卢挺【摘要】文章针对某项目结构的特点,设防地震作用下(中震),采用EPDA软件进行了模型的弹塑性时程分析,考察在设防水准地震作用下结构弹塑性的发展历程和构件的损伤程度,并对构件能否达到预期性能目标进行校核。
【期刊名称】《四川建筑》【年(卷),期】2016(036)004【总页数】3页(P153-155)【关键词】设防地震;弹塑性时程分析;性能目标【作者】高少波;李文君;张德成;卢挺【作者单位】南充市政府投资非经营性项目代建中心,四川南充637000;南充市政府投资非经营性项目代建中心,四川南充637000;南充市政府投资非经营性项目代建中心,四川南充637000;中国建筑西南设计研究院有限公司,四川成都610000【正文语种】中文【中图分类】TU311.41本工程建筑高度约31.2 m,地上4层,地下1层,无裙楼,平面呈近似正方形。
地下室投影尺寸约为114 m×107 m,地下1层主楼范围之外还另设局部纯地下室。
由于建筑功能分区需要,本项目1~3层标高关系错落不一,混凝土筒体之外采用框架结构。
3、4号混凝土筒体在二层高度范围内(标高7.130~13.500 m)设置局部悬挑桁架。
到4层竖向仅保留4个12.5 m×13.0 m的混凝土筒体,混凝土筒体范围投影尺寸为65.7 m×65.7 m。
利用第4层的高度,混凝土筒体之间采用钢桁架连接,钢桁架高度7.5~9.1 m,净跨约40 m,外挑15~18 m,4层中间设置局部设备夹层。
本工程高宽比约为0.47,长宽比约为1.0。
地下室底板顶标高-7.2~-6.3 m。
采用混合结构体系 (钢筋混凝土筒体—钢桁架—混凝土框架),结构计算模型如图1所示。
计算程序为中国建筑科学研究院研制的EPDA结构动力弹塑性分析程序。
在PMSAP模块设计配筋的基础上,自动生成用于弹塑性时程分析的非线性模型,其中梁、柱构件采用纤维束模型模拟,剪力墙采用非线性壳单元模拟。
基于 PERFORM-3D的某高层建筑罕遇地震下弹塑性时程分析摘要:本文选用PERFORM-3D进行算例工程的弹塑性分析,算例工程是一个15层(61m)的框架-剪力墙结构,通过对该算例,介绍了动力弹塑性时程分析在高层结构进行罕遇地震作用下的应用和分析。
关键词:PERFORM-3D;地震;弹塑性时程分析1.工程概况及模型建立本工程为15层钢筋混凝土框架-剪力墙结构,结构底层高度为5m,上部楼层高度为4m,共15层,结构总高度为61m,其结构基本布置图如图1.1所示。
本工程非实际工程,仅为算例用途。
本文采用PERFORM-3D软件进行工程的动力弹塑性时程分析,在PERFORM-3D中建立工程的弹塑性模型如图1.2所示。
图1.1结构平面布置简图图1.2PERFORM-3D中模型1.地震波选取本工程所在地区为7度(0.1g)区,地震设计分组为第一组,场地类别为Ⅱ类,根据《建筑抗震设计规范》(GB5011-2010),罕遇地震时地震时程分析时地震加速度最大值为220cm/s2。
本文按照《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》中的选波原则选用了2条天然波和1条人工波进行了罕遇烈度地震作用下结构的弹塑性时程反应分析。
各组地震记录波形如图所示。
其中天然波A 为EL-Centro 波N-S 方向,天然波B 为唐山波,C 为人工波。
根据选出的三组地震记录,采用主次方向输入法(即X 、Y 方向依次作为主次方向),主方向波峰值为220gal ,其中两方向输入峰值比按1:0.85(主方向:次方向)输入。
图2.1天然波A 图2.2天然波B 图2.3人工波C三、弹塑性时程分析评估结果本文选用的三组地震记录,采用主次方向输入法,定义为A-X (X 方向为地震作用最大方向)、A-Y 、B-Y 、B-X 、C-X 和C-Y 。
此次动力弹塑性时程分析采用Ray-leigh 阻尼,阻尼比取4%,同时考虑P-∆效应。
3.1结构基底剪力响应表1 罕遇地震作用下基底剪力对比结构在四组波的作用下基底剪力峰值及剪重比的统计结果见表1。