东南大学丁幼亮工程结构抗震分析- 静力弹塑性分析法
结构抗震静力弹塑性分析方法(Pushover)的研究与改进的开题报告
结构抗震静力弹塑性分析方法(Pushover)的研究与改进的开题报告一、研究背景随着建筑结构设计的发展，抗震设计成为其中的重点和难点。
为了保障建筑安全，结构的抗震能力得到了越来越广泛的重视。
在结构抗震设计中，抗震静力弹塑性分析方法（Pushover）已经成为全球广泛使用的一种分析方法。
该方法根据结构某一方向施加分布荷载，通过对结构力学性能的分析，评估结构抗震能力。
二、研究目的与意义随着现代建筑的不断发展，建筑的结构形式日益复杂。
在这种情况下，传统的计算方法已经不能满足抗震设计的需求。
因此，本研究旨在对抗震静力弹塑性分析方法进行研究和改进，扩充其适用范围，提高其计算精度和效率，以更准确地评估结构的抗震能力。
三、研究内容1. 国内外相关研究的调研和综述，对Pushover分析方法的基本原理和步骤进行总结和阐述。
2. 提出一种结构抗震静力弹塑性分析方法的改进方案，探讨在模型参数、荷载模拟、材料本构关系等方面的改进思路。
3. 基于实际工程，使用所提出的改进方法对不同类型的建筑结构进行抗震分析，评估其抗震能力。
4.设计和编写Pushover分析方法改进程序，验证改进方案的正确性和有效性。
四、预期成果和考核指标本研究旨在对抗震静力弹塑性分析方法进行改进研究。
主要的预期成果包括：1.提出一种结构抗震静力弹塑性分析方法的改进方案，改进方案应能够在某些方面比传统的方法更加准确和高效。
2.通过实际工程评估所提出的改进方法的优缺点，验证其适用性和实用性。
3.设计和编写Pushover分析方法改进程序，展示改进方案的正确性和有效性。
预计的考核指标包括：论文的质量、研究方法是否合理、研究成果是否能够达到预期目标、研究结果的可重复性和实用性。
五、研究步骤与进度安排1.查阅相关文献，了解国内外关于结构抗震静力弹塑性分析方法的研究现状和进展，设计改进方案。
预计用时2周。
2.对所提出的改进方案进行模拟，并对改进方案中涉及的各项参数进行详细分析研究。
迈达斯之——静力弹塑性分析基本原理及方法
m i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i l图2.8.38 基于位移设计法的结构抗震性能评价m i d a s C i v i l示。
m i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i l1n λ- : 前一步骤(n-1)的荷载因子1λ : 第1荷载步的荷载因子nstep : 总步骤数i : 等差增量步骤号当前步骤的外力向量如下。
0n n λ=⋅P P(10)(3) 第3阶段: 最终步骤的荷载增量(n nstep =) 最终荷载步骤(nstep )的外力向量如下、0nstep nstep λ=⋅P P ; 1.0nstep λ= (11)图2.8.43 自动调整荷载步长的例题(荷载因子结果)m i d a s C i v i l2. 点击步长控制选项 > 增量控制函数定义步长控制函数m i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lm i d a s C i v i lATC-40中对不同结构响应类型规定了谱折减系数的下限值(参见表2.8.7)。
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。
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地震作用最大的方向 = -1.040 (度)
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各类建筑结构的地震作用
质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平 地震作用下的扭转影响；其他情况，应允许采用调整地 震作用效应的方法计入扭转影响。
8度和9度时的大跨度结构、长悬臂结构，9度时的高 层建筑，应计算竖向地震作用。
第2章 结构抗震计算
§2-1 计算原则 §2-2 地震作用 §2-3 设计反应谱 §2-4 振型分解反应谱法 §2-5 底部剪力法 §2-6 时程分析法 §2-7 竖向地震作用 §2-8 结构抗震验算
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结构抗震计算的基本步骤
考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数
振型号 周 期 转 角
平动系数 (X+Y) 扭转系数
1 1.5059 178.50 0.65 ( 0.65+0.00 ) 0.35
2 1.3294 0.56 0.37 ( 0.37+0.00 ) 0.63
3 1.1881 89.33 1.00 ( 0.00+1.00 ) 0.00
不规则结构——平面不规则
位移比：在规定的水平力作用下，楼层的最大弹性水平位 移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间 位移）平均值的1.2倍。
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不规则结构——平面不规则
凹凸不规则
控制凹凸不规则就是控制房屋局部的外伸长度。 结构平面上的两端相距太远，地震时由于输入相位差容
东南大学工程结构抗震分析-二结构抗震概念设计
结构抗震概念设计： 正确的场地选择； 合理的结构设计； 正确的构造措施。
工程结构抗震分析
工程结构抗震分析
强调结构抗震概念设计的必要性
------------------------------------------------------■地震作用的不确定性（随机性、复杂性、 间接性和耦连性） ■结构计算假定与实际情况的差异
工程结构抗震分析
4．采取基础隔震措施。
利用隔震技术改变结构的动力特性，减少地震能量的输入， 减小结构地震反应，以达到防震的目的。
基础隔震方案包括橡胶垫式隔震、滑移式、摆动式隔震、悬 吊式隔震等。
工程结构抗震分析
三、有利的房屋抗震体型
工程结构抗震分析
1．平面宜简单
结构的简单性可以保证地震力具有明确而直接的传递途径，使计 算分析模型更易接近实际的受力状态，所分析的结果具有更好的可 靠性，据此设计的结构的抗震性能更有安全可靠保证。
1923年日本关东大地震，东京都木结构房屋的破坏率，明 显地随冲击层厚度的增加而上升。
工程结构抗震分析
图4 房屋破坏率与覆盖土层 厚度的关系
1967年委内瑞拉加拉加斯6.4级地震时，同一地区不同覆盖层厚度土层 上的震害有明显差异，特别是9至12层房屋在厚的冲积土层上房屋破坏 率要高得多。图4表示了1967年委内瑞拉加拉加斯地震时房屋破坏率与 覆盖层厚度的关系。从图中的震害调查的统计数据表明，当土层厚度 超过160m时，10层以上房屋的破坏率显著提高，10—14层房屋的破坏 率，约为薄土层上的3倍，而14层以上的破坏率则上升到8倍。
工程结构抗震分析
表2 墨西哥地震房屋破坏原因
建筑特征
破坏率（%）
拐角形建筑
42
静力弹塑性分析方法及工程设计实例
静力弹塑性分析方法及工程设计实例【摘要】已建成和在建的建筑结构中，大量建筑结构需按现行规范进行弹塑性受力分析，利用PKPM的PUSH功能建立三维非线性有限元模型，对结构进行推覆分析，通过计算得到性能点处该结构的层间位移和层间位移角，找出结构的薄弱部位，分析结构构件的屈服和破坏规律，为工程结构设计分析提供参考。
【关键词】结构工程；静力弹塑性分析；PUSH-OVER；反应谱一、引言：《建筑抗震设计规范》（GB20011-2010）中规定：竖向不规则的建筑，其薄弱层应进行弹塑性变形分析；不规则且具有明显薄弱部位可能导致重大地震破坏的建筑结构，应进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。
静力弹塑性分析即为非线性分析，包括PUSH-OVER，PUSH-OVER是一种相对简单易行的方法，被逐步推广使用。
二、静力弹塑性分析方法1、基本概念静力弹塑性分析方法（PUSH-OVER）是对结构施加水平静力荷载（以一定的形式沿高度分布），计算内力和变形，逐级增加水平荷载直至一定的状态后终止计算。
该结构终止状态可选取目标位移或者是结构的倒塌状态。
目标位移即是一定（大震、中震、小震）地震作用下，结构的位移反应，可以用结构顶点位移代表结构整体动力反应大小的总体评价。
目标位移的计算方法有：1）单自由度（SDOF）方法：将多自由度结构等效为单自由度结构，对单自由度结构进行进行弹塑性动力反应分析，将分析计算结果换算出结构顶点目标位移。
2）反应谱法：将结构的反应谱曲线转化为谱加速度和谱位移关系曲线并修正，得到结构在地震作用下的需求曲线，确定目标位移。
3）弹性动力分析：对于中、长周期规则结构，在一般情况下，≈，即结构弹性分析和弹塑性分析得到的结构顶层位移相近，因此，可以用结构的弹性时程分析估计结构的顶点位移。
2、分析过程1）水平力分布对于高层结构，要给定静力弹塑性分析时水平荷载沿建筑高度的分布形式，模拟地震作用的水平荷载的分布形式将影响到分析的精确程度。
静力弹塑性和动力弹塑性分析方法在结构抗震分析中的应用
静力弹塑性分及动力弹塑性分析方法在结构抗震分析中的应用2012年6月北京金土木软件技术有限公司提纲¾进行静力弹塑性和动力弹塑性分析的意义。
¾静力弹塑性分析与结构抗震性能评估。
¾动力弹塑性分析与结构抗震性能评估。
¾静力弹塑性与动力弹塑性分析的优缺点。
北京金土木软件技术有限公司进行静力弹塑性和动力弹塑性分析的意义规范要求的抗震设防目标“小震不坏，中震可修，大震不倒”。
小震不坏：采用结构线弹性验算;中震可修及大震不倒：采用构造措施及薄弱层弹塑性验算。
超限结构《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》了解结构的“实际”抗震能力，发现结构的薄弱位置，有针对性的改进抗震设计。
弹塑性分析成为结构抗震能性评估的重要依据。
基于性能的抗震设计（PBSD）北京金土木软件技术有限公司北京金土木软件技术有限公司结构实际的抗震能力点提纲¾进行静力弹塑性和动力弹塑性分析的意义。
¾静力弹塑性分析与抗震性能评估。
¾动力弹塑性分析与抗震性能评估。
¾静力弹塑性与动力弹塑性分析的优缺点。
北京金土木软件技术有限公司静力弹塑性分析与结构抗震性能评估•针对高层建筑的静力弹塑性分析主要是指Pushover分析；•Pushover 方法是通过对结构施加沿高度呈一定分布的水平单调递增荷载来将结构推至某一预定的目标位移或者使结构成为机构,来分析结构的薄弱部位及其它非线性状态的反应,以判断在未来可能地震作用下结构及构件的变形能力是否满足设计及使用功能的要求。
北京金土木软件技术有限公司北京金土木软件技术有限公司利用Pushover 分析进行结构抗震性能评估的基本思路基本思路•建立Pushover 曲线•选择用于评估的地震设防水准•选择用于评估的性能水准•为结构和构件确定性能目标•采用特定的方法进行结构抗震性能评估•为各性能水准确定容许准则选择用于评估的地震设防水准小震不坏：采用结构线弹性验算中震可修及大震不倒：采用构造措施及薄弱层弹塑性验算北京金土木软件技术有限公司选择用于评估的结构性能水准•结构的性能水准：是用来描述结构在一定地面运动作用下的损伤程度。
13建筑结构大震下弹塑性分析
荷载因子
1.3 1.25 1.2 1.15 1.1 1.05
1 0
试验数据 有限元解
1000
2000
3000
结构顶点位移(mm)
罕遇地震下结构性能的评估
• 弹塑性位移角控制 • 结构薄弱部位的判断 • 结构的抗倒塌验算 • 大震下结构抗震性能的整体评估 • 弹塑性分析结果的讨论
➢弹塑性分析目的、意义 ➢弹塑性分析方法 ➢弹塑性分析的具体实现
弹塑性分析目的、意义
➢ 三水准设防中的“大震不倒” ➢ 两阶段设计中的“第二阶段弹塑性变形验算” ➢ 强震下变形验算的基本问题：
计算薄弱层位移反应和变形能力；通过改善结 构均匀性和加强薄弱层使得层间位移角满足限 值要求。
弹塑性分析的规范规定
1。弹塑性层间位移、位移角的控制； 2。结构大震下的薄弱部位的判断； 3。结构抗倒塌验算； 4。结构大震下的整体变形能力，即最大变形； 5。结构大震下变形、反应力的突变分析； 6。局部变形分析； 7。静力推覆的最大承载力分析； 8。时程分析的各时刻结构变形、杆件塑性铰分析； 9。各时刻杆件塑性铰、剪力墙破坏点分布的分析； 10。结构关键部位、削弱部位的弹塑性反应分析。
4。弹塑性整体计算模型（如层模型、平面模型、三维 模型等）、迭代的求解方法，也是影响弹塑分析结果 的因素之一；
5。弹塑性分析参数的合理选择。
6。在弹塑性分析过程中不考虑构件剪切破坏；
7。弹塑性分析，应当考虑构件的塑性发展，即塑性铰 有可能还要延杆件方向延伸；
8。弹塑性动力分析的控制，按设防烈度的大震，取与 规范一致即可；
• 3。周期-最大层间位移曲线——基于等效单质点体系 综合统计出的结构周期顶点位移曲线。随着结构进入 弹塑性状态，结构的自振周期、顶点位移反应也发生 变化，竖向连接需求谱与能力谱曲线的交点，则该点 的层间位移值可以理解为抵抗设计烈度大震时的结构 弹塑性层间位移，也可以把该点的层间位移与规范限 值比较，比规范小则满足设计要求，反之则认为不满 足设计要求。
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比较
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比较一、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。
建筑结构抗震-地震作用
地震反应谱
最大相对位移反应： 最大相对位移反应：
15
Sd = x(t) max =
最大相对速度反应： 最大相对速度反应：
ω ∫0
t 0
1
t
&&g (τ )e−ξω(t −τ ) sin ω(t −τ )dτ x
m ax
& Sv = x(t) max = ∫ &&g (τ )e−ξω(t −τ ) sin ω(t −τ )dτ x
最大绝对加速度反应： 最大绝对加速度反应：
m ax
Sa = &&(t) + &&g (t) x x
m ax
= ω ∫ &&g (τ )e−ξω(t −τ ) sin ω(t −τ )dτ x
0
t
最大反应之间的关系： 最大反应之间的关系：S = ωS = ω2S a v d 意义： 意义：在地面运动 & g (t)确定后，最大地震反应仅由 & x 确定后， 结构自振周期T（圆频率 ）和阻尼比ξ决定 决定。 结构自振周期 （圆频率ω）和阻尼比 决定。
t=0时，体系的初始速度 =0时
t=0时，体系的初始位移 =0时
为有阻尼单自由度弹性体系的圆频率。 ω′ = 1−ξ 2ω 为有阻尼单自由度弹性体系的圆频率。 阻尼比ξ=0.05， ω′ = 0.9987ω ≈ 。 阻尼比 ， ω 则体系不产生振动，此时ξ称为临界阻尼 当ξ=1, ω′ = 则体系不产生振动，此时 称为临界阻尼 0 比。
2
《工程结构抗震与防灾》电子教案 东南大学 丁幼亮 工程结构抗震与防灾》
§2-1 单自由度体系的地震作用
单自由度弹性体系在地震作用下的运动方程