静力弹塑性分析及其在抗震中的应用

摘要：本文对静力弹塑性分析进行了研究，指出了它的基本原理和方法优势。然后讨论了采用ETABS进行pushover计算的特点。
　　关键词：土木工程；建筑；抗震；静力弹塑性分析；ETABS
　　　0引言
　　2008年5月12日14时28分突然袭来的大地痉挛撼动汶川。一时间数万条生命瞬间陨灭，数十万条生命亟待拯救。汶川大地震震动了十多亿中国人的心，一场气吞山河的紧急大救援开始了，总书记、总理、子弟兵、消防队员、医护人员、志愿者都在为挽救一个个生命而星夜兼程！汶川县城进行地震破坏等级鉴定的房屋超过1300栋，95％没有倒塌，但大部分是危房。这不是一个先例，我国有很多地区处于地震多发带，河北省唐山大地震也就早早给我们显示了地震的危害。在建设工程里积极地采取抗震分析、抗震手段是一个十分重要的应对措施。
　　1静力弹塑性分析概述
　　静力弹塑性分析方法是近年来在国内外得到广泛应用的一种结构抗震能力评价的新方法，是实现基于性能、位移抗震设计方法的关键之一，其主要用于已有建筑的抗震鉴定和加固，以及新建结构设计方案的抗侧能力分析。这种方法从本质上说是一种抗震结构的静力非线性反应计算方法，主要在于它将设计一反应谱引入了计算过程。它既能够对结构在多遇地震下的设计进行校核，也能够确定结构在罕遇地震下潜在的破坏机制，找到最先破坏的薄弱环节，从而使设计者仅对局部薄弱环节进行修复和加强；对于多遇地震的计算，可以与弹性分析的结果进行验证，看总侧移、层间位移角和各杆件是否满足弹性极限要求；对于罕遇地震的计算，可以检验总侧移、层间位移角和各个杆件是否超过弹塑性极限状态，满足大震不倒的要求。弹塑性变形分析，可根据结构特点采用静力弹塑性分析，静力弹塑性分析主要是指Pushover方法。
　　2Pushover方法原理
　　静力弹塑性分析是一种考虑材料非线性来对建筑物的抗震性能进行评价的方法，其中还结合了最近在抗震设计方面很受重视的以性能为基本目标的抗震设计理论。性能基本设计法的目的是为了使设计人员明确地设定建筑物的目标性能，并为达到该性能而进行设计。故可采用一般方法进行设计后，通过Pushover分析对建筑物进行评价来判断其是否能够达到所设定的目标性能。各种pushover分析法的步骤有各自的特点，但是其基本步骤相同：
　　（1）确定各个构件的单元初始刚度矩阵或者根据前一步力一变形关系确定的单元弹塑性刚度矩阵，然后确定结构总刚度矩阵K；（2）根据第一步所确定的结构总刚度矩阵计算由竖向荷载作用产生的各个构件初始内力和变形（3）选取水平加载模式，单调增加水平加载力的大小，求取水平荷载作用下结构的内力和变形，组合竖向和水平荷载作用下结构的内力和变形；（4）根据构件的内力和变形确定构件的物理参数是否被修改，若无构件物理参数被修改，转入（3）循环，若有构件物理参数被修改，记录结构底部剪力和结构代表变形，转入（1）循环；（5）当结构达到目标位移，构件达到极限弯矩(或剪力)或者结构形成独立的机构，终止计算过程。
　　3Pushover方法的优势
　　Pushover分析方法简单实用，存在许多优点，无论是在结构构件层面还是从结构整体层面它都能对其抗震性能做出很好的预测。其存在着的优点主要可以概括为下面几个方面。
　　（1）通过Pushover分析可以了解潜在的脆性结构构件的需求，例如柱中轴向力，支撑节点强度，梁柱节点强度，以及钢筋混凝土深梁的剪力需求等。
　　（2）由于在结构设计过程中，一般通过构造措施来增加结构构件的延性，以期待其在地震力作用下产生变形来消耗地震能量，通过Pushover分析方法可以预估这种结构构件的变形能力，如果达不到要求就立即采取措施进行补救。
　　（3）可以判断结构的抗震能力。
　　（4）通过Pushover分析可以确定结构在不同抗震设防水准下的目标位移。在基于性能位移的抗震设计中，确定目标位移是抗震设计的关键。地震反应的静力弹塑性分析方法中，目标位移的确定可以根据等效单自由度体系进行计算，也可以通过反应谱的方法来确定。
　　（5）通过Pushover分析可以了解整个结构体系在荷载作用下构件承载力退化的原因。如果其与预想有所差距，就可根据实际情况及时进行结构构件调整。
　　（6）通过Pushover分析可以鉴定结构是否具有完整、直接的传力路径，对结构的破坏机制进行分析以了解结构的破坏路径-即结构薄弱环节，在该受力路径上对结构进行加固最有效。
　　4ETABS实现pushover计算
　　随着计算机软件技术的发展，现代结构工程的计算和设计很大程度上要依靠相关软件。ETABS是由CSI公司开发研制的房屋建筑结构分析与设计软件，是美国乃至全球公认的高层结构计算程序。ETABS可计算钢结构、钩、顶、弹簧、结构阻尼运动、斜板、变截面梁或腋梁等特殊构件和结构非线性计算（Push-over），甚至可以计算结构基础隔震问题，功能非常强大。
　　应用ETABS进行非线性分析需要时间与耐心。每个非线性问题都不一样，从简单开始并逐步完善。确保模型性能在线性荷载与模态分析下如所期望的那样，宁可起始在预期为最大非线性域中逐步添加铰，也不在起始就到处使用铰。使用不丢失主构件强度的铰模型开始；可在以后修改铰模型或重新设计结构。执行没有非线性几何形的初始分析。添加P－Δ效应，最终很有可能导致大面积的破坏。以适度目标位移和有限制的步骤数量开始。在开始时，目标应是快速执行分析，以便可得到建模的体验。然后进一步遵循真实世界结构路径的限制。注意小规模改变属性或荷载可导致在非线性反应中大规模的改变。由于这种原因，考虑许多不同的荷载工况是相当重要的，而且可在结构属性变化效果的敏感度进行研究。
　　参考文献
　　[1]中华人民共和国国家标准，建筑结构抗震设计规范[S].中国建筑工业出版社，2001
　　[2]邹积麟.空间RC框架结构全过程静力弹塑性分析[D].清华大学博士学位论文，2001
　　[3]包世华.新编高层建筑结构[M].北京:中国水利水电出版社，2001