三向地震波的合理选取和人工定义.ppt

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1、18.1。时程分析与三向地震波18.2。三向地震波的合理选取18.3。如何人工定义地震波,18。三向地震波的合理选取和人工定义,18.1。时程分析与地震波,弹性、弹塑性时程分析均与地震波相关。TAT、SATWE、PMSAP、EPDA等软件时程分析时均需选取地震波。旧版软件采用的是按照场地土区分的单向地震波库；新版软件采用的是按照特征周期区分的三向地震波库。三向地震波可以退化为单向地震波进行计算。可以通过填写文本文件的方式增加用户地震波。,新抗震规范5.1.2条规定，“特别不规则的建筑、甲类建筑和表5.1.2-1所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算”，“采用时程分析法

2、时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于两组的实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线”。地震波与反应谱应在“统计意义上相符”。时程分析法单波和平均值的底部剪力应不小于按反应谱方法得到的底部剪力的“65”和“80”等限值。新抗震规范5.5.3条规定，除可以采用简化方法计算外的建筑结构，可采用静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析方法。,18.2。三向地震波的合理选取,按照规范的要求，至少应该选择三条地震波进行地震时程反应的分析，并规定了最小基底剪力。当计算的基底剪力不满足规范要求，则应认为该地震波不合格，应重新选择分析，直至选到合适的地震波为止。而实际上，只有在建筑物所在地的地震波才有可能有

3、意义。但是大多数地区不具备这个条件，则可以用实测的人工波来代替。目前重要建筑物的场地波都是通过实测和人工模拟产生的，即实测人工波。,选取地震波,实测地震波特征参数,实测地震波反应谱,实测地震波东南向40度作用,实测地震波西南向50度作用,实测地震波竖向作用,保留的旧版地震波库,18.3。如何人工定义地震波,在当前的工程目录下建立相应的地震波文件。文件名应采用“USER”加上“1”或“2”或其他阿拉伯数字。使用“.X”、“.Y”和“.Z”文件后缀给出主方向、次方向和竖向所对应的地震波波形。如果用户给出了无后缀的文件，则认为该文件中的内容为主方向的地震波波形。例如“USER1”、“USER2.X”

4、、“USER2.Y”、“USER2.Z”等文件名都是合法的。文件中第一行输入用户地震波步数N；在第2第N+1行写入地震波加速度值，单位任意，但要一致。,人工输入地震波选择,19.1。弹塑性分析目的、意义19.2。弹塑性分析的规范规定19.3。简化弹塑性分析方法及适用范围19.4。静力弹塑性分析方法19.5。动力弹塑性分析方法,19。罕遇地震下三种薄弱层弹塑性变形验算方法及其适用范围,19.1。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：计算和确定薄弱层位移反应和变形能力；通过改善结构均匀性、加强薄弱层和薄弱部位使得层间位

5、移角满足弹塑性变形验算限值要求。,19.2。弹塑性分析的规范规定,建筑抗震设计规范GB 50011-2001高层混凝土结构技术规程JGJ 3-2002高层民用建筑钢结构技术规程JGJ99-98,建筑抗震设计规范,条 竖向不规则结构应（宜）进行弹塑 性变形分析3.6.2条 弹塑性分析可以根据具体情况采用 弹塑性静力、时程、简化方法5.5.2条 何种结构需要进行弹塑性变形验算5.5.3条 弹塑性变形验算方法5.5.4条 弹塑性分析的简化方法5.5.5条 弹塑性层间位移角限值,高层混凝土结构技术规程,条,条,5.1.13条，条有具体规定基本遵从于建筑抗震设计规范,高层民用建筑钢结构技术规程,5.3.

6、6条5.3.10条、5.4.4条、5.5.3条，有具体规定，有层间侧移延性比规定,19.3。简化弹塑性分析方法及应用范围,新抗震规范5.5.3条规定，罕遇地震下薄弱层（部位）弹塑性变形验算可采用下列方法：“不超过12层且层刚度无突变的钢筋混凝土框架结构、单层钢筋混凝土柱厂房可采用5.5.4条的简化计算方法。”新抗震规范5.5.4条规定的简化弹塑性分析方法包含两方面内容：薄弱层按照楼层区分强度系数确定。弹塑性层间位移角由罕遇地震弹性层间位移角折减得到。可以看出，简化的弹塑性分析方法：有明确的适用范围，超出此范围不能采用。薄弱层的判断和相应弹塑性层间位移角的确定均是估算结果。,19.4。静力弹塑性

7、分析方法,抗倒塌分析图,静力弹塑性分析方法的特点,静力弹塑性分析方法是将动力地震作用静力化的一种罕遇地震分析方法。考虑结构的弹塑性性质。较动力弹塑性分析方法能一定程度上节省计算时间。通过静力推覆分析过程可以了解结构的抗倒塌能力。通过能力谱方法可以得到结构的罕遇地震下最大弹塑性位移角。能力谱方法存在“以第一振型振动为主、结构可以等效为单自由度体系”等前提假定，能否适用于超高层结构仍然需要探讨；但推覆分析过程有一定的普适性。,19.5。动力弹塑性分析方法,动力弹塑性分析方法的特点,将罕遇地震作用以较为真实的加速度时程方式进行输入。考虑结构的弹塑性性质。对结构没有过多限制其应用范围的基本假定，适用范

8、围广泛，可以认为是一种仿真分析方法。多条地震波分析时，计算时间相对较长。选取不同的地震波进行分析时，计算结果可能差别较大，需要使用者进行合理的判断。,20.1。弹塑性分析软件整体功能简介20.2。弹塑性静力分析软件PUSH简介20.3。弹塑性静力分析软件PUSH工程实例20.4。弹塑性静力分析软件PUSH验证,20。弹塑性静力分析的正确应用和普及,20.1。弹塑性分析软件整体功能简介,20.2。弹塑性静力分析软件PUSH简介,较为先进的单元类型。先进的弧长法加载策略。非线性方程叠代方法的多种选择。波前法解线性方程。病态方程的特殊解法处理。接力SATWE、PMSAP程序，适应的结构类型广泛。,P

9、USH软件主要参数说明,荷载类型：有倒三角形和矩形两种选择，通常可以选择倒三角形。基底剪力与总重量的比值：通过该参数定义侧向荷载的总和，比如填0.5意思是侧向荷载总量最大可以施加到50%的结构总重量。荷载方向与X轴的夹角：一次静力弹塑性分析只在一个方向上施加侧向荷载，该荷载的方向通过荷载正向与X轴正向的夹角决定。单位度。从头运行和接力运行：PUSH软件具有重启动功能。通过该功能可以接力原来的计算结果进行连续计算。停机控制：配合重启动功能进行计算步数选择。,材料参数调整：通过该系列参数的调整，可以按照用户实际情况调整混凝土和钢的单轴本构关系曲线形状，考虑混凝土破坏、受到约束等情况。铰的相对刚度界

10、限：为杆件塑性铰的判断条件，例如填入0.8的含义是杆端截面的刚度与初始刚度相比退化了80时认为出现了塑性铰。墙高斯点破坏条件：剪力墙通过用户给出破坏应变界限来判断破坏情况。杆元细分、墙元细分：用户可以人为的细分杆件单元。楼板考虑为梁翼缘的相对宽度：通过该参数，用户可以考虑楼板对于梁的刚度贡献。,20.3。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,20.4。弹塑性静力分析软件PUSH工程实例,单层钢框架模型,荷载因子-位移曲线，PUSH与ABAQUS的比较,9层钢框架模型,荷载因子-位移曲线，PUSH与ABAQUS的比较,混凝土框架模型,荷载因子-位移曲线，PUSH与ABAQ

11、US的比较,荷载因子-位移曲线，PUSH与ABAQUS的比较,荷载因子-位移曲线，PUSH与ABAQUS的比较,荷载因子-位移曲线，PUSH与ABAQUS的比较,21.1。弹塑性动力分析软件EPDA简介21.2。弹塑性动力分析软件EPDA工程实例21.3。弹塑性动力分析软件EPDA验证,21。弹塑性动力分析的正确应用和讨论,21.1。弹塑性动力分析软件EPDA简介,单元模型梁、杆、柱、撑采用纤维束模型剪力墙采用弹塑性壳单元方程解法PCG解线性方程多种解动力微分方程方法多种解非线性方程方法接力SATWE、PMSAP程序，适用的结构类型广泛,弹塑性动力时程分析参数选择,EPDA软件主要参数说明,“

12、地震波作用方向角(度)”：地震波主方向与结构X轴夹角，如用户希望地震波主方向作用沿着Y轴方向，此处应添“90”。“主分量峰值加速度(cm/s2)”：地震烈度对应的罕遇地震主方向峰值加速度。“次分量峰值加速度(cm/s2)”：地震烈度对应的罕遇地震次方向峰值加速度。“竖直分量峰值加速度(cm/s2)”：地震烈度对应的罕遇地震竖直方向峰值加速度。“混凝土本构关系类型”：用户可以选择“双线性模型”和“三线性模型”两种混凝土本构关系。,(压),混凝土本构关系模型,“塑性铰判断方法”：给出了“弹性积分点比例”和“截面刚度退化比例”两种判断杆系构件的塑性铰的方法。“弹性积分点比例”方法是按照构件截面的积分

13、点仍然保持弹性的比例来判断构件的端部是否出现塑性铰。“截面刚度退化比例”是按照结构进入弹塑性状态后的杆端截面刚度与初始截面刚度的比值来判断构件是否形成塑性铰。“塑性铰判断参数”：该参数与“塑性铰判断方法”相对应，填入0.01.0之间的一个数值。当通过“弹性积分点比例”判断塑性铰时，如果填入“0.3”表示“只有30的端截面积分点保持弹性时出现塑性铰”。当选择当通过“截面刚度退化比例”判断塑性铰时，如果填入“0.3”表示“截面刚度退化为初始截面刚度的30时出现塑性铰”。,“动力微分方程组解法”：目前程序提供给用户两种求解动力微分方程组的方法，Wilson-法和Newmark-法。这两种方法的计算结

14、果差别不大，用户根据需要选择。“非线性方程组解法”：程序提供了两种求解非线性方程组的迭代方法，Newton-Raphson迭代和modified Newton-Raphson迭代。这两种方法的迭代次数和适用条件是不同的。对于混凝土结构一般建议采用Newton-Raphson迭代进行计算。“非线性迭代步数限值”：该限值规定了非线性迭代的最多次数，当达到该步数限值时，如果还没有收敛，需要缩短步长进行计算。该值不宜取的过大，“10”左右比较合适，否则会明显增加计算时间。“非线性迭代收敛精度”：EPDA程序衡量非线性迭代是否收敛的依据是“不平衡力向量范数”，一般认为0.010.001左右的精度是可以满

15、足工程要求的。该值不宜取的过小，否则程序将难以收敛。,“最佳收敛次数”：EPDA程序中提供了计算步长自动伸缩求解策略。所谓“最佳收敛次数”是指用户认为多少次迭代收敛是比较合理的。当程序的迭代次数小于该值时，表示计算步长过小，程序会自动增加计算步长；当程序的迭代次数大于该值时，表示计算步长过大，程序会自动缩减计算步长。通常认为一个计算时间步内，结构应该在35次迭代后收敛。“不收敛时步长缩减次数限值”：指当结构计算不收敛时，程序自动缩减步长的最多次数。该参数不宜过大，否则也会无谓的增加计算时间，建议5次左右比较合适。“不收敛时步长缩减倍数”：指当结构计算不收敛时，计算步长的缩减比例。当填入“2”时

16、，表示缩减幅度为原来步长的“1/2”。“步长自动判断指数”：计算步长自动伸缩求解策略是按照“最佳收敛次数”进行指数形式的计算，该参数可以调整步长自动增、缩的幅度。“1/31/2”比较合适。,21.2。弹塑性动力分析软件EPDA工程实例,原五棵松体育场（2008奥运会篮球馆）,2008奥运会国家主体育场看台,2008奥运会国家主体育场罩棚（鸟巢）,某高层混凝土结构,某大体量超高层混凝土结构,某高层加固工程,21.3。弹塑性动力分析软件EPDA验证,单层钢框架模型,位移时程曲线，EPDA与ABAQUS的比较1600gal,位移时程曲线，EPDA与ABAQUS的比较400gal,9层钢框架模型,位移

17、时程曲线，EPDA与ABAQUS的比较400gal,22.1。弹塑性位移角控制22.2。结构薄弱部位的判断22.3。结构的抗倒塌验算22.4。大震下结构抗震性能的整体评估22.5。弹塑性分析结果的讨论,22。罕遇地震下结构性能的评估,22.1。弹塑性位移角控制,结构各层弹塑性最大位移、位移角，平均位移、位移角。最大变形时刻的结构整体位移、位移角曲线。对于高层尤其是超高层结构应考察有害位移、有害层间位移角，有害位移是结构真正的变形位移，对高层结构最大有害层间位移与最大层间位移往往差异较大，分布也不同。目前抗震规范仍然以层间位移角给出判断指标，所以弹塑性位移控制仍以规范为准。,最大层间位移、最大有

18、害层间位移所在的楼层。层间位移、有害层间位移超过规范限值的楼层。结构构件塑性铰、剪力墙破坏点比较集中的部位。结构局部变形较大的部位。结构弹塑性反应力突变的部位。,22.2。结构薄弱部位的判断,薄弱层,薄弱部位,需求谱曲线（周期-影响系数曲线）结构在静力推覆分析过程中，随着结构的破坏、结构阻尼的增加、结构自振周期的变化，反映出结构在设计烈度大震下的弹塑性最大水平地震影响系数曲线。该曲线综合反映了结构弹塑性变形过程中地震作用变化的情况。能力曲线（周期-加速度曲线）基于等效单质点体系综合统计出的结构周期加速度曲线。随着结构进入弹塑性状态，结构的自振周期、顶点加速度反应也发生变化，当该曲线穿过需求普曲

19、线时，说明结构能够抵抗设计烈度的大震，否则就认为不能抵抗设计烈度的大震情况。越早穿过需求普曲线，说明结构抵抗大震的能力越强，当曲线趋于水平时，说明结构接近破坏、倒塌。,22.3。结构抗倒塌验算,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。,周期-影响系数曲线需求谱曲线,周期-最大位移角曲线,周期-加速度曲线能力曲线

20、,T,影响系数,1/105,等效单自由度体系验算曲线,层间位移角,抗倒塌验算的其它方法弹塑性分析可以按设定的方式考虑结构的倒塌机制。如下图所示，当结构由于外部原因，在局部失去支撑，此时分析结构的现状。失效分析,22.4。大震下结构整体性能的评估,弹塑性层间位移、位移角的控制；结构大震下的薄弱部位的判断；结构抗倒塌验算；结构大震下的整体变形能力，即最大变形；结构大震下变形、反应力的突变分析；局部变形分析；静力推覆的最大承载力分析；时程分析的各时刻结构变形、杆件塑性铰分析；各时刻杆件塑性铰、剪力墙破坏点分布的分析；结构关键部位、削弱部位的弹塑性反应分析。,22.5。弹塑性分析结果的讨论,弹塑性动力

21、时程分析时，其弹塑性地震波应尽可能与建筑物所在地接近，如上海市专门颁布了专用于本地区的两条弹塑性地震波；弹塑性分析所采用构件（梁、板、柱、墙）的计算模型，不同的计算模型，有时计算结果会有一定的差别；材料的弹塑性模型，对不同材料使用适合的弹塑性应力应变曲线，一般应以“混凝土规范”为准；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；弹塑性分析参数的合理选择。,在弹塑性分析过程中不考虑构件剪切破坏；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；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；弹塑性静力分析的控制，一般可以采用：（a）基底剪力控制法；（b）层间位移控制法；（c）弯矩曲率控制法（目前PUSH还没有）等。,