为什么弹塑性分析模块会有弹性时程分析选项

动力弹塑性时程分析技术抗震应用阐述高层建筑是当前建筑的主要形式，新材料、新技术的应用使得建筑质量提高，功能越来越齐全。

但其结构设计也更复杂，施工难度加大，因此对其抗震施工技术提出了更高的要求。

高层建筑的投资数额较大，周期也相对较长，而动力弹性时程分析技术是一项综合性较强的技术工作，涉及每一个环节，一旦出现问题，必将影响到施工质量。

从而延误工期，甚至引发安全事故，带来严重的损失。

所以，在施工过程中，必须加强建筑结构抗震设计中对动力弹塑性时程分析技术的应用，进而保证及时解决潜在的隐患。

1.动力弹塑性时程分析技术概述弹塑性时程分析方法可以有效的将结构作为弹塑性振动体系进行相应的分析，并通过对地震波数据在地面运动中的输入应用，可以有效的进行下一步的积分运算，进而可以得出地面加速度随着时间的变化而发生的变化，同时，还可以得出结构的内力与变形随着时间的变化而变化的整个过程。

动力弹塑性时程分析技术的应用通常有以下几个步骤：第一，通过对几何模型的建立，进而实现网格的划分工作；第二，对材料的本构关系进行确定，并根据各个构件自身的单元类型及材料类型的确定，进而对结构的质量、刚度及阻尼矩阵进行确定；第三，根据本场地的地震波，并对模型的边界条件进行定义，进而得出相应的计算结果；第四，根据计算所得出的结果进行进一步的处理工作，并根据处理的结果进行结构整体性可靠度的评估。

2 高层建筑动力弹塑性时程分析技术管理现状2.1材料设备管理中的问题材料是建筑的基础，现代化高层建筑用途不同，所用的材料也千差万别，加上各种新型材料日新月异，种类繁多，管理十分复杂。

如果购置时质检把关不严、储存方式不合理，很容易出现材料不能及时供应等情况，或导致材料性能下降，或与工程技术要求不相符。

各项机械设备、电气设备也是施工中不可或缺的元素，由于制度不健全、监督不严，存在着违规操作等不规范行为，这就导致动力弹塑性时程分析技术在实际的工程施工过程中不能得到有效的反应。

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。

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。

建　筑　结　构　学　报(增刊1)J o u r n a l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s (S u p p l e m e n t a r y I s s u e 1)弹性与弹塑性动力时程分析方法中若干问题探讨杨志勇,黄吉锋,邵　弘(中国建筑科学研究院结构所,北京100013)摘要:依据大量实际工程弹性、弹塑性动力时程分析经验,结合实际工程应用,探讨了弹性、弹塑性动力时程分析方法中的一些基本问题。

针对性地分析了动力时程分析方法中地震波的离散性;地震波如何与反应谱曲线在统计意义上相符;人工模拟地震波方法及其工程应用;弹性、弹塑性时程分析法选取地震波的基本原则;弹性时程分析法地震波的选取数量;如何将反应谱分析结果与时程分析结果取较大值等方面的问题。

通过大量的算例分析可以看出,正确地应用弹性、弹塑性动力时程分析方法需要从多个方面进行准确理解和把握,教条地应用很难发挥弹性、弹塑性动力时程分析应有的作用。

关键词:弹性时程分析法;弹塑性时程分析法;地震波;反应谱中图分类号:T U 311.3 文献标识码:AD i s c u s s i o n o n l i n e a r a n d n o n l i n e a r t i m e h i s t o r y a n a l y s i s m e t h o dY A N GZ h i y o n g ,H U A N GJ i f e n g ,S H A OH o n g(B u i l d i n g S t r u c t u r e R e s e a r c h I n s t i t u t e ,C h i n a A c a d e m y o f B u i l d i n g R e s e a r c h ,B e i j i n g 100013,C h i n a )A b s t r a c t :T h i s p a p e r d i s c u s s e dl i n e a r a n dn o n l i n e a r t i m eh i s t o r y a n a l y s i s m e t h o d ,e s p e c i a l l y c o n c e r n i n g w i t ht h ef o l l o w i n gi s s u e s :t h e d i s p e r s e o f e a r t h q u a k e w a v e ,s c a l i n g t h e e a r t h q u a k e w a v e t o f i t t h e d e s i g n r e s p o n s e s p e c t r u mo f C h i n a c o d e ,t h e e a r t h q u a k e w a v e s i m u l a t i o n m e t h o d ,t h e b a s i c p r i n c i p l e o f e a r t h q u a k e w a v e s e l e c t i o n ,t h e n u m b e r o f w a v e s r e q u i r e d i n t i m e h i s t o r y a n a l y s i s ,a n d t h e m a x i m u ms t r u c t u r a l r e s p o n s e f r o ms p e c t r u ma n a l y s i s a n dt i m e h i s t o r ya n a l y s i s .A s s h o w ni nm a n y e x a m p l e s ,l i n e a r a n d n o n l i n e a r t i m e h i s t o r y a n a l y s i s m e t h o ds h o u l db e u s e da p p r o p r i a t e l y t o o b t a i n u s e f u l r e s u l t s .K e y w o r d s :l i n e a r t i m e h i s t o r y a n a l y s i s m e t h o d ;n o n l i n e a r t i m e h i s t o r y a n a l y s i s m e t h o d ;e a r t h q u a k e w a v e ;r e s p o n s e s p e c t r u m基金项目:建设部软科学研究资助项目(06-K 9-31)。

SAP2000弹塑性分析方法运用总结结构的抗震设计一般可通过三个方面来实现，一种是增加结构的截面和刚度来“抗震”，此时如果要使结构在大震作用下保持弹性状态，结构需要具有如右图所示的承载能力，此时结构的设计截面会变得非常不经济；第二种方法是容许结构发生一定的塑性变形，并保证结构不发生倒塌的"耐"震设计（或叫延性设计）；第三种方法是通过一些装置地震响应比较（如阻尼器、隔振装置等）来吸收能量的"减"震或"隔"震设计。

当结构和结构构件具有一定的延性时，大震作用下部分构件会发生屈服，此时结构的周期会变长，结构周期的变长反过来减小了地震引起的惯性力，即塑性铰的出现吸收了部分地震能量，从而避免了结构的倒塌。

对结构抗震性能的评价以往多从强度入手，但结构在发生屈服后仍具有一定的耗能和变形能力，因此用能够反映结构延性和耗能能力的变形评价结构的抗震性能应更为合适。

通过动力弹塑性分析我们不仅要了解结构发生屈服和倒塌时的地震作用的大小，同时也要了解结构的变形能力（弹塑性层间位移角、延性系数等）、构件的变形能力、铰出现顺序等，从而实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准设防目标。

目的：1) 评价建筑在罕遇地震下的抗震性，根据主要构件的塑性破坏情况和整体变形情况，确认结构是否满足性能目标的要求。

2) 研究超限对结构抗震性能的影响，包括罕遇地震下的最大层间位移；3)根据以上分析结果，针对结构薄弱部位和薄弱构件提高相应的加强措施。

弹塑性分析两种方法：1、静力弹塑性方法push-over2、动力弹塑性时程分析《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（以下简称《抗规》)第1.0.1条中规定了三水准设防目标为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

《抗规》5.5.2条中分别规定了"应"进行弹塑性变形验算和"宜"进行弹塑性变形验算的结构。

PKPM软件园地 建筑结构.技术通讯 2007年1月弹性、弹塑性时程分析法在结构设计中的应用杨志勇 黄吉锋（中国建筑科学研究院 北京 100013）0 前言地震作用是建筑结构可能遭遇的最主要灾害作用之一。

几十年来，人们积累了大量的实测地震资料，这些资料多以位移、速度或者加速度时程的形式体现。

与此相对应，时程分析方法也被认为是最直接的一种计算建筑结构地震响应的方法。

但是，由于地震作用随机性导致计算结果的不确定性，弹性时程分析方法只是结构设计的一种辅助计算方法；虽然如此，抗震规范为了增强重要结构的抗震安全性，还是将弹性时程分析方法规定为常遇地震作用下振型分解反应谱法的一种补充计算方法；尤其是考虑了结构的弹塑性性能后，弹塑性时程分析方法更是被普遍认为是一种仿真的罕遇地震作用响应计算方法。

《建筑抗震设计规范》（GB50011－2001）第3.6.2，5.1.2，5.5.1，5.5.2，5.5.3等条文规定了时程分析相关的内容。

下面结合TAT ，SATWE ，PMSAP 和EPDA 等软件应用，探讨如何将弹性、弹塑性时程分析正确应用到结构设计中去。

1 弹性时程分析的正确应用11正确地在软件中应用弹性时程分析方法需要对规范的相关条文规定有正确的认识。

以下几点是需要特别明确的：（1）抗震规范第5.1.2条第3点规定，“可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值”。

在设计过程中，如何实现“较大值”有不同的做法：1)设计采用弹性时程分析的构件内力响应包络值的多波平均值与振型分解反应谱法计算结果二者的较大值直接进行构件设计；2)在实现振型分解反应谱方法时，放大地震力使得到的楼层响应曲线包住时程分析楼层响应曲线的平均值。

图1 SATWE 地震作用放大系数前一种做法可能使得构件配筋较大，因为在时程分析过程中，构件内力的最大响应具有不同时性，采用包络值进行设计会使得构件内力，尤其是压弯构件内力偏于保守。

基于结构工程软件的精细化分析策略研究发布时间：2022-08-28T05:21:31.819Z 来源：《科技新时代》2022年第1月2期作者：徐进超[导读] MIDAS/Building因其基于标准层概念的三维建模功能徐进超2110021987****3814摘要：MIDAS/Building因其基于标准层概念的三维建模功能，提高了建模的直观性和便利性，从而提高了建模的效率。

随着工程计算进一步追求精细化，其基于构件的集中塑性铰模型和墙体宏模型的弹塑性分析方法不能满足精度要求，通用有限元软件ABAQUS采用基于材料本构的纤维模型和分层壳模型，能够得到更为准确的结果而成为工程非线性计算分析的热点方向，但受其建模功能的制约对其应用于工程实际分析中有一定的限制。

对此本文基于MIDAS/Gen To ABAQUS的模型转换程序，提出MIDAS/Building到ABAQUS的模型转化方案，从而提高分析前处理效率。

同时对于不规则结构而言，因不删除楼板而直接进行模型转换会生成形状不理想的畸变单元，若直接利用该模型转换生成的ABAQUS模型会对分析的结果和效率产生较大的影响，本文利用专业网格划分软件HyperMesh 对从ABAQUS导入的有限元模型进行了网格划分和优化，改善了该模型的网格质量同时提高了计算精度。

关键字：结构工程软件；精细化；分析策略MIDAS/Building作为第三代结构设计软件，有着简单、便于操作的图形用户界面，它提供的基于三维的建模方式为结构设计人员提供直观设计过程，符合实际施工流程的设计步骤大大提高了工程师的工作效率，同时它还提供各种实用的结果文件包括二维图形、三维图形、表格和文本输出，作为设计者判断结果正确性的重要依据。

基于MIDASBiding建模的优势和ABAQUS的前处理过程的不足，如何提高动力弹塑性分析效率，节省前处理过程中重复建模的所花费的时间，实现MIDAS/Buiding模型与ABAQUS模型转换具有重要的意义。

大震弹塑性分析软件PKPM-SAUSAGE技术特点刘春明，张宏（广州建研数力建筑科技有限公司，北京100013）提要：PKPM-SAUSAGE是广州建研数力新推出的一款大震下动力弹塑性分析程序，采用了考虑塑性损伤的混凝土本构模型以及高效GPU并行显式求解技术。

本文介绍了PKPM-SAUSAGE软件的技术特点以及应用方面的一些技术细节，对工程师处理实际工程动力弹塑性分析问题具有一定的指导意义。

关键词：PKPM-SAUSAGE，弹塑性分析近年来，我国超限项目迅猛发展，每年全国都有上千个超限项目通过专家审查。

在完成超限报告的过程中，弹塑性动力时程分析结果是最费时最不好把握的内容之一。

针对结构进行动力弹塑性分析的目的是了解结构在大震下是否还具备保护人身安全的能力（大震不倒），结构的抗震体系是否合理。

这通常是根据结构在大震下的变形情况以及结构破坏的部位、程度和次序等因素来判断的。

本文通过剖析PKPM-SAUSAGE的技术特点，展示软件的技术细节，希望对结构工程师有所启发。

1 弹塑性分析软件介绍我国建筑设计规范对高层建筑结构在大震下的位移以及变形能力等性能指标提出了严格要求。

因此建筑结构工程中陆续引进各种分析软件用于结构弹塑性动力时程分析。

由于软、硬件发展的局限性，这些软件都一定程度地满足了当时人们的需要。

随着结构理论以及计算分析技术的发展，国内的弹塑性分析也经历了相应的从简化分析方法到静力弹塑性推覆再到动力弹塑性的一个发展过程。

SAP2000、Perform3D引入了Pushover分析和非线性动力分析概念，使用框架的杆单元模型进行弹塑性分析，但是由于存在建模繁琐、不能直接使用设计配筋以及计算收敛性差等缺点限制了软件的工程应用。

Midas/Building将这种塑性铰推广到使用框架铰模拟框架和纤维铰模拟剪力墙，加入了丰富的滞回模型，并可以考虑施工加载，自动引入钢筋进行结构静力推覆或动力弹塑性分析。

EPDA/PUSH引入纤维铰考虑框架、非线性分层壳单元模拟混凝土剪力墙，首先在程序中使用渐变模型模拟弹塑性发展过程。

时程荷载工况中几个选项的说明动力方程式如下：在做时程分析时，所有选项的设置都与动力方程中各项的构成和方程的求解方法有关，所以在学习时程分析时，应时刻联想动力方程的构成，这样有助于理解各选项的设置。

另外，正如哲学家所言：运动是绝对的，静止是相对的。

静力分析方程同样可由动力方程中简化(去掉加速度、速度项，位移项和荷载项去掉时间参数)。

0.几个概念自由振动: 指动力方程中P(t)=0的情况。

P(t)不为零时的振动为强迫振动。

无阻尼振动: 指[C]=0的情况。

无阻尼自由振动: 指[C]=0且P(t)=0的情况。

无阻尼自由振动方程就是特征值分析方程。

简谐荷载: P(t)可用简谐函数表示，简谐荷载作用下的振动为简谐振动。

非简谐周期荷载: P(t)为周期性荷载，但是无法用简谐函数表示，如动水压力。

任意荷载: P(t)为随机荷载(无规律)，如地震作用。

随机荷载作用下的振动为随机振动。

冲击荷载: P(t)的大小在短时间内急剧加大或减小，冲击后结构将处于自由振动状态。

1.关于分析类型选项目前有线性和非线性两个选项。

该选项将直接影响分析过程中结构刚度矩阵的构成。

非线性选项一般用于定义了非弹性铰的动力弹塑性分析和在一般连接中定义了非线性连接(非线性边界)的结构动力分析中。

当定义了非弹性铰或在一般连接中定义了非线性连接(非线性边界)，但是在时程分析工况对话框中的分析类型中选择了“线性”时，动力分析中将不考虑非弹性铰或非线性连接的非线性特点，仅取其特性中的线性特征部分进行分析。

只受压(或只受拉)单元、只受压(或只受拉)边界在动力分析中将转换为既能受压也能受拉的单元或边界进行分析。

如果要考虑只受压(或只受拉)单元、只受压(或只受拉)边界的非线性特征进行动力分析应该使用边界条件>一般连接中的间隙和钩来模拟。

2.关于分析方法选项目前有振型叠加法、直接积分法、静力法三个选项。

这三个选项是指解动力方程的方法。

关于振型叠加法、直接积分法可以参考一些动力方程方面的书籍。

佳构STRAT软件大震弹塑性时程分析操作要点与技巧(上海佳构软科技有限公司，2015/12)1、计算发散是计算不成功吗？大震模拟结构在强荷载下屈服、破坏。

当结构整体不足，或存在薄弱环节时，结构出现过大变形，是正常现象。

由于大震分析是数值模拟，与一般试验得到的想象毕竟有所不同。

数值分析的中的结构实效、破坏，往往表现为过大的变形。

薄弱环节导致的大震破坏，是数值分析的特点所致。

当局部构件出现大范围屈服，构件刚度趋于极小值。

在动力响应中，刚度极小的构件变形会放大、动力效应集中(类似高层中的辫梢效应、减震结构中的悬挂钟摆)。

这种局部的放大会导致相邻构件的破坏，并逐步扩散到整个结构，导致结构破坏，计算发散。

2、怎样根据分析结果，找到导致发散的“病灶”一旦计算发散，最终变形会是一个极大值(例如10e6)，图形已经混乱，无法找到破坏点。

这是可以将变形缩小(例如10e-6)。

然后，分步察看变形图。

找到开始发散的几步。

缩小图形的变形比例，会发现最初变形特别大的构件。

这些构件即是导致发散的病灶。

3、怎样增强薄弱构件1) 混凝土构件：增加配筋。

混凝土的抗震性能，主要来自于钢筋。

梁柱纵筋直接影响屈服承载力和屈服后的性能。

梁柱的箍筋，在考虑“约束混凝土”增强的时，能提高混凝土的屈服强度、和弹性模量。

2) 钢支撑：设二力杆，或不算自重。

高层中的钢支撑对抗震往往起关键作用(例如加强层)，支撑的应力比都很高，往往达到全截面屈服。

但如果存在弯矩，即便弯矩很小的情况下，都会导致截面应力分布不均匀，承载能力下降。

在反复荷载作用下，这种全截面屈服基础的上不均匀分布应力，各部分加卸载状态不同，刚度差异极大，往往导致破坏发散。

设二力杆是弯矩为0，全截面应力相同、状态相同，极大提高屈服后性能。

此外，STRA T软件中，二力杆仍包含自重的弯矩(实际情况就这样)，必要时支撑不算自重。

3) 剪力墙：a)避免狭长墙单元，适当合并节点。

b)增加配筋，不仅需要增加主要受力的暗柱钢筋，在有较大水平受力的部位还需要增加水平分布钢筋。