弹性、弹塑性时程分析法在结构设计中的应用.pdf

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 , , , , 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 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 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。因此, TAT ,SATWE ,PMSAP 等软件均提供了地震力放大功能。 SATWE 地震作用放大系数见图 1 ,可以通过适当地放大振型分解反应谱法的地震作用来满足相应的规范要求。 TAT 软件给出了一种折中的做法,如果设计者进行了弹性时程分析, 则程序会将弹性时程分析结果作为一种地震荷载工况进行组合、设计。但是为了避免设计结果过于保守,程序会进行构件弹性时程分析内力的预组合。( 2 )“采用时程分析方法时,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”。建筑结构在不同地震波作用下的响应差别可能较大, 选用多条地震波的平均值可在一定程度上避免离散性。人工模拟地震波一般是以规范反应谱为基础,通过蒙特卡罗方法来得到, 更加贴近规范反应谱或反映场地土的当地特征。 TAT ,SATWE ,PMSAP ,EPDA 等软件按照结构的特征周期给出多组天然波和人工波,见图 2。无论是进行弹性还是进行弹塑性时程分析, 均要选取足够数量的地震波进行计算,以得到有代表意义的结果。图 2 按照特征周期区分的地震波库( 3 )“多波平均地震响应系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符”。其条文说明解释为二者在各个周期点上相差不大于 20%。对于人工波来说,这一规定一般是天然满足的,因为人工波是拟合规范反应谱得到的。对于天然波来讲则较难满足,因为规范的反应谱是依据众多实际采集的地震动时程曲线通过平滑化后的概率平均意义上的结果。图 3所示为上述软件地震波库 特征周期中的 2条天然波的动力放大系数谱曲线, 可见与规范反应谱的差异还是明显的。那么如何执行规范的这条规定呢?其实规范的规定从概念上讲是合理的, 因为频 PKPM 软件园地 2007 年1 月 杨志勇,男, 出生,工学博士,副研究员。谱特征是地震波的最重要特征之一, 一定程度上会影响时程分析结果的合理性。一种可行的做法是判断某条实际地震波响应谱的最大卓越周期是否与结构的特征周期一致, 或者是判断其几个最主要卓越周期是否包含在结构特征周期之内。这种做法虽然是概念性的,但是一般是有效的和可执行的。图 3 特征周期中的 2 条天然波的反应谱( 4 )“弹性时程分析时,每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的 65%,多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的 80 %”。该规定非常重要,一定程度上避免了不同地震波计算结果离散性较大所带来的问题, 保证了分析的有效性。在执行该条文时,设计人员往往会找不到足够数