动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用.pdf

建筑结构丨动力弹塑性分析方法及其在结构设计中的应用
原创 2016-11-10 26万人點击關注建筑结构
动力弹塑性分析是结构分析技术发展的重要成果之一,也是数值仿真技术在工程领域的典型应用,目前
已成为性能化抗震设计方法中的重要组成部分。但是由于其涉及到的理论知识、技术方法以及软件应用
等均不同于传统的静力或者线性分析方法,一线工程师通常难以了解掌握。本文以数值仿真技术特征为
切入点,从数值模型建立、数值分析方法、分析结果解读等几方面,探讨了动力弹塑性分析方法及其在
结构设计中的应用,并以ABAQUS软件平台为例,介绍了结构整体弹塑性数值模型的建立方法,以及结
构整体与构件分析结果的输出与解读。

0 引言
动力弹塑性分析是性能化抗震设计方法中的一个重要组成部分。在设防烈度地震和罕遇地震作用
下,结构的地震响应通常是非线性的,不仅结构材料进入弹塑性工作阶段,出现强度和刚度退化甚至结
构性破坏,而且侧移引起的几何非线性效应也更加显著。此时传统的线性分析方法不再适用,而必须采
用动力弹塑性分析方法来计算与结构性破坏程度相关的结构变形响应参数。本文以数值仿真技术特征为
切入点,对动力弹塑性分析在结构设计中的理解与应用进行探讨。
1 动力弹塑性分析的概念
结构分析技术的发展
图1描述了结构分析技术在分析对象规模、维度、模型特征和分析性能等方面取得的进步以及可能的
发展方向,而其中动力弹塑性分析则是结构分析技术发展的重要成果之一。

分析对象规模分析维度模型特征分析性能
等效剪切层模型、等效弯曲-剪切
多层简单建筑二维平面静力弹性行为
层模型
↓↓↓↓
超高层、复杂建
三维立体塑性铰模型、宏模型静力或动力弹塑性行为
筑
↓↓↓↓
基础—上部结构
多尺度纤维模型、分层壳模型动力倒塌行为
整体
图1结构分析技术发展趋势
数值仿真技术的应用
在工程领域的应用中,数值仿真技术主要指以计算机为手段,通过对实际问题的分析建立数值模
型,结合数值计算方法来获取研究结果,并且以云图、图表、动画等直观的方式展现,达到对工程问题
或者物理问题进行科学研究的目的,其中也包括了动力弹塑性分析在抗震设计中的应用。
商业软件在工程领域的应用表1
结构专业建筑专业
工程问题仿真软件工程问题仿真软件
ABAQUS
动力弹塑性分析建筑能耗 PHOENICS
PERFORM-3D
ANSYS
多尺度分析声、光环境 RAYNOISE
Midas Gen
数值风洞模拟 FLUENT/CFX 烟雾扩散 FDS
连续倒塌模拟 人员疏散 Simulex

动力弹塑性分析的基本要素
动力弹塑性分析基本流程如图2所示。
(a)建立物理模型
(c)进行数值分析,得到分析结果
图2 动力弹塑性分析基本流程
动力弹塑性分析方法包括以下三个基本要素:1)建立结构的弹塑性模型及地震波的数值输入;2)
数值积分运算分析;3)全过程响应输出。
从设计角度解释,静力或动力弹塑性分析都类似于一种“数值模拟试验”,尤其是动力弹塑性分析
可在一定程度上仿真结构在地震波作用时段内的反应过程,可理解为一种“数字振动台试验”。表2总结
了振动台试验、静力及动力弹塑性分析之间的共同点与差异。
结构弹塑性分析与振动台试验表2
振动台试验静力弹塑性分析动力弹塑性分析
适当的模型精细化程度
适当的模型比例
(宏观构件模型、微观材料模型)
适当的材料应力-应变曲线或者截
适当的模型材料适当的材料本构模型或者截面、构件的滞回模型
面、构件骨架曲线
动力加载静力加载地震波输入
试验结果监测(位分析结果监测(性能曲线及性能
分析结果监测(变形及残余变形,材料应变,材料损
移,转角,应变,裂缝点,变形,材料应变,材料损
伤,截面利用率,能量平衡等)
发展等) 伤,截面利用率)
而动力弹塑性分析方法与线性静力分析方法却有较大的不同,如表3所示。
线性静力分析与动力弹塑性分析特点对比表3
分析方法线性静力分析方法动力弹塑性分析方法
更为真实的材料本构模型(如钢材双折线模型,混凝
材料假定弹性模量,泊松比
土三折线模型或者更复杂)
构件刚度变化(如混凝土损伤开裂导致构件刚度退
构件模拟构件刚度不变
化)
作用力直接施加外力荷载静载作用下直接输入地震波数据进行积分运算
非线性简化方法考虑P-Δ效应考虑材料非线性,几何非线性,边界非线性
工况组合不同工况可以线性组合必须累计重力作用对结构在地震作用下响应的影响