【精】弹塑性结构地震反应分析

弹塑性地震反应分析中的滞回曲线解析我们在进行弹塑性地震反应分析时,经常要用到结构的滞回曲线,今天为大家详细介绍一下这个神秘的东东.滞回曲线,也叫恢复力曲线,是在循环力的往复作用下,得到结构的荷载－变形曲线.它反映结构在反复受力过程中的变形特征、刚度退化及能量消耗.为啥要研究在反复受力过程中各种特性呢？因为地震力就是反复循环作用的.我们弹性设计只是拟静力法,不能体现反复力的作用.大多材料都是具有弹塑性性质的,当荷载大于一定程度后,在卸荷时产生残余变形,即荷载为零而变形不回到零,称之为“滞后”现象,这样经过一个荷载循环,荷载位移曲线就形成了一个环,将此环线叫做滞回环,多个滞回环就组成了滞回曲线！滞回曲线有哪几种呢？1、梭形梭形说明滞回曲线的形状非常饱满,反映出整个结构或构件的塑性变形能力很强,具有很好的抗震性能和耗能能力.例如受弯、偏压、压弯以及不发生剪切破坏的弯剪构件,具有良好塑性变形能力的钢框架结构或构件的P一△滞回曲线即呈梭形.2、弓形弓形具有“捏缩”效应,显示出滞回曲线受到了一定的滑移影响.滞回曲线的形状比较饱满,但饱满程度比梭形要低,反映出整个结构或构件的塑性变形能力比较强,节点低周反复荷载试验研究性能较好,.能较好地吸收地震能量.例如剪跨比较大,剪力较小并配有一定箍筋的弯剪构件和压弯剪构件,一般的钢筋混凝土结构,其滞回曲线均属此类.3、反S形反S形反映了更多的滑移影响,滞回曲线的形状不饱满,说明该结构或构件延性和吸收地震能量的能力较差.例如一般框架、梁柱节点和剪力墙等的滞回曲线均属此类.4、Z形Z形反映出滞回曲线受到了大量的滑移影响,具有滑移性质.例如小剪跨而斜裂缝又可以充分发展的构件以及锚固钢筋有较大滑移的构件等,其滞回曲线均属此类.很多专家做过的实验表明,混凝土构件轴压比为0时（受弯构件）,滞回曲线十分饱满,有优越的延性和耗能性能,而轴压比提高时,延性明显下降,滞回环严重捏拢.这就是为何规范限制轴压比的原因.滞回曲线的物理意义为：地震时,结构处于地震能量场内,地震将能量输入结构,结构有一个能量吸收和耗散的持续过程.当结构进入弹塑性状态时,其抗震性能主要取决于构件耗能的能力.滞回曲线中加荷阶段荷载－位移曲线下所包围的面积可以反映结构吸收能量的大小；而卸荷时的曲线与加载曲线所包围的面积即为耗散的能量.这些能量是通过材料的内摩阻或局部损伤（如开裂、塑性铰转动等）而将能量转化为热能散失到空间中去.因此,滞回曲线中滞回环的面积是被用来评定结构耗能的一项重要指标.。

第21卷第5期重庆建筑大学学报Vol.21No.5 1999年10月Journal of Chon gq in g J ianzhu Universit y Oct.1999文章编号:1006-7329(1999)05-0010-06地震作用下结构弹塑性位移反应规律的研究尹保江1黄宗明2白绍良2(1.中国建筑科学研究院抗震所100013;2.重庆建筑大学建筑工程学院400045)摘要通过对单自由度体系在不同类型地面运动作用下的弹塑性位移反应特性的研究,总结了结构在地震作用下的位移反应规律,为考虑塑性累积疲劳损伤的结构地震破坏准则的研究提供依据。

关键词结构弹塑性地震反应;弹塑性位移反应规律;低周疲劳破坏准则中图法分类号TU313文献标识码A1问题的提出结构地震破坏准则的研究,一直是工程结构抗震领域一个十分重要的课题。

目前,人们已普遍认为结构在地震作用下的破坏是由于位移的首次超越和塑性累积疲劳损伤共同作用的结果。

大量的试验研究表明〔1〕,结构在往复荷载作用下的疲劳损伤破坏,不但和塑性耗能总量有关,而且还和位移幅值的大小、偏移量、不同幅值位移的发生顺序及其组合方式等密切相关,是一个非常复杂的问题。

因此,要想考虑不同位移组合的情况,通过较为完备的试验系列来建立一个比较客观的能够反映以上各种因素的具有普遍意义的通用低周疲劳破坏准则,是相当困难的。

本文认为,地震地面运动虽然复杂,但其分类特征是明显的,结构在不同类型地震作用下的位移反应也一定会遵循某种规律。

既然如此,就可以考虑放弃建立具有普遍意义的通用低周疲劳破坏准则的研究方法,而主要针对适用于地震作用的结构低周疲劳破坏准则进行研究,使问题得到简化,同时使提出的破坏准则更具有针对性。

基于这种思想,本文研究了单自由度体系在不同类型地震地面运动作用下的弹塑性位移反应规律,以期作为今后研究结构地震破坏准则的参考。

2结构位移反应规律的研究方法根据文献〔2〕的研究成果,将地震地面运动分为5类:S型为短持时脉冲型地面运动;L-1型和M-1型分别为长持时和中等持时有较明显卓越周期的地面运动;L-2型和M-2型分别为长持时和中等持时不规则的地面运动。

结构动力弹塑性分析方法1.动力理论动力理论是直接通过动力方程求解地震反应。

由于地震波为复杂的随机振动，对于多自由度体系振动不可能直接得出解析解，只可采用逐步积分法.通过直接动力分析可得到结构响应随时间的变化关系，因而该方法又称为时程分析法。

时程分析法能更真实地反映结构地震响应随时间变化的全过程，并可以得到强震下结构的弹塑性变形，因此己成为抗震分析的一种重要方法。

多自由度体系地震反应方程为：[][][][])}({)}({)}({)}({t xM t x K t x C t x M g -=++ (1.1) 在弹塑性反应中刚度矩阵与阻尼矩阵亦随时间变化，因此不可能求出解析解，只能采取数值分析方法求解。

把整个地震反应的过程分为短而相等的时间增量缸，并假定在每一个时间区间上体系的各物理参数均为常数，它们均按区间起点的值来确定，这样就可以把非线性体系的分析近似按照一系列连续变化的线性体系来分析。

方程(1．2)适用于结构的任何时刻，则对于结构t t ∆+时刻的地震反应方程可以表示为：[][][][])}({)}({)}({)}({t t xM t t x K t t x C t t x M g ∆+-=∆++∆++∆+ (1.2) 令:)}({)}({}{t xt t x x -∆+=∆ (1.3) )}({)}({}{t x t t x x-∆+=∆ (1.4) )}({)}({}{t x t t x x -∆+=∆ (1.5))}({)}({}{t xt t x x g g g -∆+=∆ (1.6) 择将式(1.3)与式(1.2)相减得到结构的增量平衡方程：[][][][]}{}{}{}{g xM x K x C x M ∆-=∆+∆+∆ (1.7) 2.方法介绍时程分析法的基本过程是将地震波按时段进行数值化后，输入结构体系的微分方程中，采用逐步积分法对结构进行弹性或弹塑性地震反应分析，得 到结构在整个时域中的振动状态全过程，并描述各个时刻结构构件的内力和变形。

结构地震反应的分析方法与理论随着人们对地震和结构动力特性认识程度的加深，结构的抗震理论大体可以划分为静力分析、反应谱分析和动力分析三个阶段。

2.2.1静力分析理论水平静力抗震理论[25]始创于意大利，发展于日本。

该理论认为:结构所受的地震作作用可以简化为作用于结构的等效水平静力，其大小等于结构重力荷载乘以地震系数，即： /F G g kG =α= (2.1)静力理论认为结构是刚性的，故结构上任何一点的振动加速度均等于地震动加速度，结构上各部位单位质量所受到的地震作用是相等的。

它忽略了结构的变形特征，没有考虑结构的动力特性，与实际情况相差较远。

随着工程抗震研究的发展，对地震认识的深入，此法已经淘汰。

2.2.2反应谱理论上世纪40年代以后，由于计算机技术的应用，在取得了较多的强震记录的基础上，产生了反应谱理论。

反应谱分析方法[25][26]是一种将模态分析的结果与一个已知的谱联系起来计算模型的作用效应的分析技术。

反应谱是指单自由度体系最大地震反应与结构体系自振周期的关系曲线。

为了便于计算，《抗震规范》采用相对于重力加速度的单质点绝对最大加速度，即/a S g 与体系自振周期T 之间的关系作为设计用反应谱，并将/a S g 用α表示，称为地震影响系数，如图2-5所示。

单自由度弹体系水平地震反应微分方程为：()()()()0mx t cx t kx t mx t ++=- (2.2)由上式得:()()()()0m x t x t k x t c x t-+=+⎡⎤⎣⎦ (2.3) 上式等号右边的阻尼力项()cx t 相对于弹性恢复力项()kx t 来说是一个可以略去的微量，故：()()()0m x t x t kx t -+=⎡⎤⎣⎦ (2.4)由反应谱理论，水平地震作用为：/a a F mS S gG G ===α (2.5)/a S g α= (2.6)α——地震影响系数；a S ——质点的绝对最大加速度；图2-5 地震影响系数α曲线Fig.2-5 seismic influence coefficient α vurves上升阶段 ()max 0.45 5.5T α=+α (00.1T ≤≤) (2.7) 水平阶段 α=max α (0.1g T T <≤) (2.8)曲线下降段 max g T T γ2⎛⎫α=ηα ⎪⎝⎭(5g g T T T <≤) (2.9) 直线下降段 ()max 0.25g T T γ21⎡⎤α=η-η-α⎣⎦ (5 6.0g T T <≤) max α——地震影响系数最大值；g T ——场地特征周期。

隔震结构地震反应弹塑性分析方法隔震结构是在建筑物的基础和上部结构之间设置一种可以产生相对滑移的滑板，也就是层可靠性很高的隔离层。

隔震结构的隔震原理：由于隔震层水平刚度较小，能延长了结构自振周期，避免了地震动的卓越周期，使结构的加速度反应减低而结构的位移反应增大。

对滑板之间的滑移摩擦力进行控制控制阻尼，由于隔震层具有较大的阻尼从而使结构的加速度反应和位移反应也有所减小。

结构地震反应是现代减震和隔震设计理论的核心内容，是验证结构减震和隔震性能的关键步骤。

根据计算分析理论的不同,地震反应弹塑性分析方法可分为FNA法、反应谱分析法、pushover分析法和动力反应法。

快速非线性分析(FNA)方法是一种非线性分析的有效方法，在这个方法中，非线性被作为外部荷载来处理，形成考虑非线性荷载并修正的模态方程。

该模态方程与结构线性模态方程相似，因此可以对模态方程进行类似于线性振型的分解求解，然后基于泰勒级数对解的近似表示，使用精确分段多项式积分对模态方程迭代求解。

最后基于前面分析所得到的非线性单元的变形和速度历史计算非线性力向量，并形成模态力向量，形成下一步迭代新的模态方程求解。

FNA方法适用于非线性结构动力分析求解，同时也可以对静力荷载分析工况进行求解。

反应谱法是一种拟动力方法，也是一种统计方法。

反应谱法考虑地面运动的强弱、场地土的性质以及结构的动力特性对地震的影响，因此可近似反应地震对结构的作用。

另外由于反应谱法与传统设计方法比较接近,因此得到了广泛的应用。

各国规范都给出了设计反应谱曲线。

反应谱法首先用动力方法计算质点体系地震反应去建立反应谱，再用加速度反应谱计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载，然后按照静力方法进行结构的计算和设计。

加速度反应谱是通过对一系列具有不同自振特性的单自由度体系输入地震动数据，记录每个单自由度体系的加速度最大反应，以结构的自振周期为横坐标对应的加速度反应为纵坐标绘出。

非线性静力分析法又称pushover分析法又称倾覆分析，指的是结构分析模型在一个结构高度为某种规定分布形式且逐渐增加的侧向力或侧向位移作用下，直至结构控制点达到目标位移的过程。

结构地震反应分析方法摘要：结构地震反应分析是工程抗震设计理论的核心内容，是确定结构反应的关键步骤。

房屋结构地震反应分析方法包括静力分析法，反应谱分析法和时程分析法等。

结构地震反应分析时，应·结合结构实际情况选择其中一种、两种方法进行对比分析，以获得良好的计算精度和计算效率。

关键词：地震反应；push-over法；抗震设计地震是一种突发性、破坏性甚至毁灭性的自然灾害，无法进行可靠预测。

其发生会严重威胁人类社会的生存与发展。

在罕遇作用下，结构会进入弹塑性受力状态。

因此，通过结构抗震设计降低地震破坏程度是重要工程抗震方法。

中国《建筑抗震设计规范》主要采用两阶段抗震设计思想，在第二阶段设计中要求对结构弹塑性状态下的变形性能进行分析。

规范中，推荐采用静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析方法验算结构在罕遇地震作用下的弹塑性变形。

从上世纪中期，研究者才开始真正意义上从事于地震反应分析研究。

而在当前，地震研究主要集中以下方向：对结构进行非线性弹塑性分析；对结构进行可靠度分析；对结构进行动力分析和能量分析[1]。

工程界采用的分析方法主要有静力分析法、反应谱分析法、动力分析法。

1 静力分析法1.1 基本原理静力分析法是国际上最早形成的抗震分析方法。

上世纪初，研究者认识到造成地震破坏的主要因素之一是水平最大加速度。

在此基础上，提出利用等效静力分析方法。

随后，push-over静力弹塑性分析方法作为有效的抗震性能评价方法之一正式被各国规范采用。

如，欧洲规范（eurocode-8），日本press钢筋混凝土建筑结构设计指南、美国的atc- 40 （1997）和fema-440以及中国建筑抗震设计规范。

push-over法主要建立在将多自由度结构的反应与一个等效单自由度体系的反应相关联的基础上。

主要假设有[2]：（1）将实际结构的多自由体系地震反应等效为一个单自由度体系，即认为结构的地震反应主要由结构的第一振型控制。