第13章-结构的弹塑性分析
动力弹塑性分析步骤
文献一
结构弹塑性动力时程分析是将建筑物作为弹塑性振动系统，直接输入地面地震加速度记录[5]，对运动方程直接积分，从而获得计算系统各质点的位移、速度、加速度和结构构件地震剪力的时程变化曲线。
通过计算还可以分析出结构的薄弱层和构件塑性铰位置。
所以这种分析方法能更准确而完整地反映结构在强烈地震作用下的变形特性，是改善结构抗震能力、提高抗震设计水平的一项重要措施。
弹塑性动力分析步骤：
1）建立整体结构模型；
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动力响应的各参数；
3）施加恒、活荷载等竖向荷载值以及风等横向荷载；
4）输入适合本场地的地震波；
5）定义模型的边界条件；
6）计算，并对结果进行评定。
文献二
弹塑性动力分析的基本方法
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。
结构静力弹塑性分析方法的研究和改进
结构静力弹塑性分析方法的研究和改进一、本文概述随着建筑行业的不断发展，对建筑结构的安全性和稳定性的要求也越来越高。
结构静力弹塑性分析方法作为一种重要的结构分析方法，能够更准确地模拟结构在静力作用下的弹塑性行为，因此在工程实践中得到了广泛应用。
然而，现有的结构静力弹塑性分析方法仍存在一些问题和不足，如计算精度不高、计算效率低等，这些问题限制了其在大型复杂结构分析中的应用。
因此，本文旨在深入研究结构静力弹塑性分析方法，探索其改进策略，以提高计算精度和效率，为工程实践提供更为准确和高效的结构分析方法。
本文首先介绍了结构静力弹塑性分析方法的基本原理和计算流程，分析了现有方法的不足和局限性。
在此基础上，本文提出了一种改进的结构静力弹塑性分析方法，通过引入新的算法和优化计算流程，提高了计算精度和效率。
本文还通过实际工程案例的对比分析，验证了改进方法的可行性和有效性。
本文的研究不仅有助于推动结构静力弹塑性分析方法的发展，提高其在工程实践中的应用水平，同时也为相关领域的研究提供了有益的参考和借鉴。
二、结构静力弹塑性分析方法的理论基础结构静力弹塑性分析方法（Pushover Analysis）是一种在结构工程领域广泛应用的非线性静力分析方法，旨在评估结构在地震等极端荷载作用下的性能。
该方法基于结构在地震作用下的弹塑性反应特点，通过模拟结构的静力加载过程，分析结构的弹塑性变形、内力分布和破坏机制，为结构抗震设计和性能评估提供重要依据。
静力弹塑性分析方法的理论基础主要建立在塑性力学、结构力学和地震工程学等多个学科领域。
其中，塑性力学提供了描述材料在弹塑性阶段的应力-应变关系的本构模型，包括理想弹塑性模型、随动硬化模型等多种模型，这些模型能够反映材料在受力过程中的非线性行为和塑性变形累积。
结构力学则为静力弹塑性分析提供了结构整体和局部的力学分析方法，包括静力平衡方程、变形协调条件等，这些方程和条件构成了静力弹塑性分析的数学模型。
弹塑性变形与极限载荷分析
弹塑性变形与极限载荷分析
14-3 超静定桁架的极限载荷
图示的超静定结构，由刚性梁 BE 与各杆的横截面面积分 A1 A3 A , A2 2 A 。各杆 别为 A1、A2、A3 的杆1、杆2、杆3 组成，且， 的材料相同，其拉、压屈服强度均为 s 。试求该结构的极限载荷。 解：一次超静定结构，有两根 杆屈服才进入塑性极限状态。 故有三种可能的极限状态。 1）设杆1与杆2已屈服，杆 3未屈服。此时，载荷 F 有使 刚性梁绕E点转动的趋势。 ME 0 , MD 0 例
E E ( s ) s
( s ) ( s ) (14 - 5)
E E
弹塑性变形与极限载荷分析
14-2 应力-应变关系曲线的简化 1）理想弹塑性材料
2）理想刚塑性材料 3）线性强化材料 4）幂函数强化材料
s s
弹塑性变形与极限载荷分析
14-1 弹塑性变形与极限载荷法概念 2）极限载荷法 图中所示的一次超静定结构，各杆的横截面相同并均为理想 弹塑性材料，a >b 。设各杆均处于弹形变形状态时，杆1、杆2、 杆 3 的内力分别为 FN 、FN 、FN ，可以分析得到，在外力一定 FN1 FN 2 FN 3 。 时， 当外力增大使杆3屈服时，杆3已失去承载能力。由于杆2和杆1 尚未屈服，它们组成一静定结构，仍可继续承受增加的载荷。
m
(14 - 6)
弹塑性变形与极限载荷分析
14-3 超静定桁架的极限载荷
由对 14-1 节中一次超静定桁架的分析可知，当其中一根杆 （多余约束的杆）屈服时，便变为静定杆件结构。此时增大载荷， 若再有一根杆屈服，结构便处于塑性极限状态。以此类推，对于 n 次超静定桁架，如果有 n+1 根杆屈服，该结构便处于塑性极限 状态。
弹塑性详解
弹塑性的未来发展
智能材料
未来弹塑性材料将与智能传感器和控制系统集成,实现自主监测和自适应调节,提高结构系统的稳定性和可靠性。
高性能应用
在航空航天、汽车制造、能源等领域,弹塑性材料将发挥更大作用,提高关键部件的抗冲击和耐疲劳能力。
仿生设计
从生物体的运动机理中吸取灵感,开发出更高效、协调的弹塑性机构,应用于机器人、生化假肢等领域。
制造工艺控制
弹塑性理论在冲压、挤压、锻造等成形加工中发挥重要作用,可预测工件变形、确定最佳工艺参数,提高产品质量。
生物医学应用
医疗器械和义肢设计需要利用弹塑性分析,确保其能适应人体组织的变形特性,提高舒适度和功能性。
弹塑性的重要性
1
提高结构安全性
弹塑性能够增强材料和结构在外力作用下的变形能力,有效降低意外事故发生的风险,提高结构的安全可靠性。
弹塑性的影响因素
应力-应变关系
材料的弹塑性行为主要取决于其应力-应变曲线的形状,包括弹性模量、屈服强度和最大强度等关键参数。
材料成分与微观结构
材料的化学成分、晶粒大小、相组成等微观结构特征直接影响其宏观力学性能和弹塑性行为。
应力状态与几何形状
零件或结构的受力状态和几何形状会导致局部应力集中,从而影响弹塑性响应和失效模式。
工程应用
20世纪中后期,弹塑性理论和方法广泛应用于工程实践,在航空、汽车、建筑等领域发挥了重要作用。
现代进展
当前,随着计算机技术的发展,弹塑性分析方法不断创新,在复杂结构设计、材料选择和工艺优化中展现强大的潜力。
弹塑性的基本原理
数学描述
弹塑性通过应变-应力关系的数学模型来描述材料在力学作用下的变形行为。这些模型结合了材料的弹性特性和塑性特性。
混凝土结构弹塑性分析
混凝土结构弹塑性分析混凝土结构的弹塑性分析涉及到力学、材料学等多个学科的知识，并需要运用适当的数学方法和计算技术。
其基本原理是将混凝土结构看作是由许多弹性体和塑性体组成的复合结构，通过对每个组成体的力学行为进行分析，再将其综合，以得出整体结构的变形和破坏情况。
混凝土在受力作用下的变形过程可以分为弹性阶段和塑性阶段。
弹性阶段是指在小应力作用下，混凝土结构能够恢复原来形状的能力，而塑性阶段则是指在大应力作用下，混凝土产生不可逆的形变和破坏。
弹塑性分析主要考虑的是混凝土在塑性阶段的行为。
在弹塑性分析中，需要确定混凝土结构的材料力学性质。
混凝土的应力应变关系可以通过试验得到，一般采用的是应力与应变之间的线性关系，即背景下的弹性性质，以及应变达到一定范围后应力与应变之间的非线性关系，即塑性性质。
根据混凝土的本构模型，可以得出混凝土的应力应变关系方程。
在进行弹塑性分析时，需要对荷载进行合理的简化和近似处理，以求解结构的变形和应力分布。
常用的方法包括有限元法、弹塑性有限元法等。
这些方法可以将结构划分为许多小单元，在每个小单元上进行力学分析，最终得到整个结构的变形和应力分布。
弹塑性分析的目标是得出混凝土结构在荷载作用下的变形和破坏情况，以判断其承载能力和安全性。
通过对结构进行弹塑性分析，可以预测结构的变形和破坏形态，找出结构的薄弱部位，并进行相应的设计和改进。
在实际工程中，弹塑性分析在许多领域都得到了广泛的应用。
例如，在桥梁工程中，可以通过弹塑性分析研究桥梁在荷载作用下的变形情况，以确定桥梁的设计参数，保证其安全可靠；在地下结构工程中，可以通过弹塑性分析研究地下室在地震荷载作用下的变形和破坏情况，以制定相应的防震措施。
总之，混凝土结构的弹塑性分析是一项重要的研究内容，可以帮助工程师更准确地评估混凝土结构的承载能力和安全性。
通过合理选择材料力学性质和采用适当的计算方法，可以对结构的变形和破坏进行预测，并进行相应的设计和改进，以确保结构的安全可靠。
弹塑性时程分析
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。
弹塑性弹塑性分析方法在结构抗震分析中的应用
弹塑性弹塑性分析方法在结构抗震分析中的应用
弹塑性分析方法是基于结构的材料和几何非线性性质进行建模和分析的。
通过将结构划分为弹性区域和塑性区域，可以更好地模拟结构在地震
荷载下的行为。
在分析中，通常假设结构的主要构件为弹性，而柱子、墙
体等容易发生塑性变形的构件为塑性。
通过这种划分，可以更准确地计算
结构的变形、应力和内力。
在进行弹塑性分析时，需要首先确定结构的塑性铰点。
塑性铰点是结
构中容易发生塑性变形的位置，通常位于柱子、墙体等受力较大的构件的
连接处。
通过在这些位置设定塑性铰点，可以更准确地模拟结构的塑性变形。
在分析过程中，需要使用弹塑性弹塑性分析方法，根据地震荷载的特
点进行模拟。
地震荷载是具有瞬时性和可破坏性的荷载，结构的响应通常
呈现出非线性和瞬时峰值现象。
弹塑性分析方法可以更准确地模拟地震荷
载作用下结构的非线性行为，并预测结构的瞬时峰值响应。
在进行弹塑性分析时，还需要考虑结构的能量耗散和恢复能力。
地震
作用下，结构的能量会被耗散，而恢复能力不足的结构容易发生破坏。
弹
塑性分析方法可以通过考虑结构的材料和几何非线性性质，更准确地估计
结构的能量耗散和恢复能力，从而提高结构的抗震能力。
弹塑性分析方法在结构抗震分析中的应用具有重要意义。
它可以更准
确地预测结构的变形、应力和内力，为结构的设计和改进提供准确的依据。
通过弹塑性分析方法，可以更好地评估结构的抗震能力和安全性，为地震
区的建筑物提供更稳固和可靠的保障。
高层建筑结构抗震弹塑性分析方法及抗震性能评估的研究
高层建筑结构抗震弹塑性分析方法及抗震性能评估的研究一、本文概述本文旨在探讨高层建筑结构在地震作用下的弹塑性分析方法及其抗震性能评估。
地震是自然界中常见的灾害性事件，对人类社会和建筑结构产生深远影响。
高层建筑由于其特殊的结构特点和高度，使其在地震中更容易受到破坏。
因此，研究高层建筑结构的抗震性能，特别是在弹塑性阶段的分析和评估，对于提高建筑结构的抗震能力，减少地震灾害损失具有重要意义。
本文将首先介绍高层建筑结构抗震弹塑性分析的基本理论和方法，包括弹塑性力学基础、结构分析模型、地震动输入等。
在此基础上，探讨高层建筑结构在地震作用下的弹塑性响应特点，包括结构变形、内力分布、能量耗散等。
然后，本文将重点介绍高层建筑结构抗震性能评估的方法和技术，包括静力弹塑性分析、动力弹塑性分析、易损性分析等。
这些方法和技术可以用于评估高层建筑结构在地震中的安全性能和抗震能力。
本文还将对高层建筑结构抗震弹塑性分析方法和抗震性能评估的应用进行案例研究。
通过实际工程案例的分析，探讨不同分析方法和技术在实际工程中的应用效果，为高层建筑结构的抗震设计和评估提供参考和借鉴。
本文将对高层建筑结构抗震弹塑性分析方法和抗震性能评估的未来发展趋势进行展望，提出相关的研究建议和展望。
通过本文的研究，可以为高层建筑结构的抗震设计和评估提供更为科学、合理的方法和技术支持，有助于提高高层建筑结构的抗震能力，减少地震灾害损失。
二、高层建筑结构抗震弹塑性分析方法的研究高层建筑结构的抗震弹塑性分析是评估建筑在地震作用下的响应和性能的重要手段。
随着建筑高度的增加，结构的柔性和非线性特性愈发显著，因此，采用弹塑性分析方法可以更准确地模拟结构在地震中的实际行为。
材料本构关系的研究：高层建筑的抗震性能与其组成材料的力学特性密切相关。
研究材料在循环加载下的应力-应变关系、滞回特性以及损伤演化规律，是弹塑性分析的基础。
通过试验和数值模拟，可以建立更精确的材料本构模型，为结构分析提供数据支持。
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弹性动力时程分析。
弹塑性分析的目的和基本方法。
罕遇大震下结构性能的评估
选取地震波实测地震波——特征参数
保留的旧版地震波库人工输入地震波选择
抗倒塌分析图
4.1。
弹塑性分析软件整体功能简介
4.3。
弹塑性静力分析软件PUSH 工程实例——高层混凝土结构
高层钢结构 4.4。
弹塑性静力分析软件PUSH工程实例
单层钢框架模型
9层钢框架模型
弹塑性动力时程分析参数选择
5.2。
弹塑性动力分析软件EPDA工程实例
2008奥运会国家主体育场看台原五棵松体育场（2008奥运会篮球馆）
某高层混凝土结构2008奥运会国家主体育场罩棚（鸟巢）
某大体量超高层混凝土结构某高层加固工程
5.3。
弹塑性动力分析软件EPDA验证
单层钢框架模型
9层钢框架模型。