内容简介
《Pushover分析在建筑工程抗震设计中的应用》全面地介绍了Pushover分析的理论背景以及SAP2000、ETABS、PERFORM-3D等软件的实现原理,详细阐述Pushover分析方法在建筑结构工程抗震设计中的具体应用,涉及结构构件的弹塑性分析模型选取、荷载模式的确定、分析控制模式、能力谱和需求谱的建立、性能点的确定、中国规范相关参数的转换、Pushover分析不同方法的对比、工程应用中的具体注意事项等内容,特别强调在实际工程的应用环节。
《Pushover分析在建筑工程抗震设计中的应用》可供从事建筑结构工程抗震设计的工程师、科研人员及高等院校师生参考使用。
内页插图
目录
第1章 Pushover分析的原理和实现方法
1.1 概述
1.1.1 结构性能的检查方法
1.1.2 Pushover分析的基本思路
1.2 建立Pushover曲线
1.2.1 建立结构模型
1.2.2 确定荷载模式
1.2.3 分析控制
1.3 能力谱方法
1.3.1 建立能力谱和需求谱
1.3.2 需求谱折减
1.3.3 求取性能点
1.3.4 与中国规范反应谱相关的参数转换
1.3.5 能力评价
1.4 目标位移法
1.5 其他方法及对比
1.5.1 FEMA440等效线性化
1.5.2 FEMA440位移修正
1.5.3 方法对比
1.6 Pushover分析注意事项
1.7 Pushover分析与动力弹塑性时程分析
1.8 小结
参考文献
第2章 Pushover分析在SAP2000中的实现
2.1 SAP2000中的实现步骤
2.2 框架塑性铰的定义
2.2.1 默认铰属性
2.2.2 自定义铰属性
2.2.3 塑性铰属性的指定
2.3 墙元塑性行为的定义
2.3.1 分层壳模型的定义步骤
2.3.2 材料非线性属性定义
2.3.3 分层壳定义
2.3.4 非线性剪力墙分层壳模型
2.4 Pushover工况的定义
2.4.1 荷载施加控制
2.4.2 分析控制参数
2.5 Pushover分析结果的查看
2.5.1 基底剪力一监测点位移曲线
2.5.2 Pushover曲线
2.5.3 显示铰结果
2.5.4 分层壳结果输出
2.6 Pushover分析例题
2.7 小结
参考文献
第3章 Pushover分析在ETABS中的实现
3.1 一般过程
3.2 框架塑性铰定义
3.2.1 默认铰属性
3.2.2 框架铰属性数据定义
3.3 剪力墙等代柱
3.3.1 整截面剪力墙、整体小开口剪力墙等代
3.3.2 双肢剪力墙及多肢剪力墙等代
3.3.3 壁式框架的等代
3.4 非线性铰的指定
3.5 Pushover工况的定义
3.6 运行静力非线性分析
3.7 结果查看
3.8 分析注意事项
3.9 例题
3.1 0小结
参考文献
第4章 Pushover分析在PERFORM-3D中的实现
4.1 PERFORM-3D简介
4.2 一般过程
4.3 节点的绘制及指定
4.4 结构构件定义
4.4.1 梁构件的模拟
4.4.2 剪力墙构件的模拟
4.5 构件绘制
4.6 荷载定义及指定
4.7 Pushover分析在PERFORM-3D中的实现
4.7.1 求解过程中的位移控制和力控制问题
4.7.2 非线性求解的策略
4.7.3 可靠性和效率问题
4.7.4 控制位移
4.7.5 PERFORM-3D中需要人为指定的参数
4.8 结果查看
4.9 PERFORM-3D例题
4.9.1 实例简介
4.9.2 节点绘制及指定
4.9.3 构件定义
4.9.4 构件绘制
4.9.5 定义层间位移角及层间位移
4.9.6 荷载工况
4.9.7 运行分析
4.9.8 分析结果查看
4.9.9 能量分布图结果查看
4.9.10 PUSH-OVER结果显示
4.10 动力弹塑性时程分析方法实现简介
4.10.1 滞回环
4.10.2 阻尼
4.10.3 时程积分
4.1 1小结
参考文献
第5章 ETABS工程应用实例及分析报告制作
5.1 概述
5.2 利用ETABS进行Pushover分析的主要目的
5.3 ETABS静力Pushover分析的主要参数及设置
5.3.1 构件本构关系及参数设置
5.3.2 其他参数设置
5.4 ETABS静力推覆的工程应用实例
5.4.1 超限框架结构的应用
5.4.2 超高层框一筒结构的应用——深圳卓越皇岗世纪中心
5.5 ETABS静力弹塑性推覆分析的报告制作方法
5.5.1 分析目的
5.5.2 分析方法
5.5.3 分析过程
5.5.4 分析结果
5.5.5 结论
5.6 结论与展望
参考文献
第6章 PERFORM-3D工程应用实例
6.1 Perform-3D的计算模型
6.1.1 框架单元计算模型
6.1.2 平面单元计算模型
6.1.3 剪力墙计算模型
6.1.4 常规墙模型
6.1.5 连梁计算模型
6.2 Perform-3D的弹塑性分析方法
6.2.1 Pushover分析
6.2.2 弹塑性时程反应分析
6.3 Perform-3D的弹塑性分析的工程应用实例
6.3.1 工程概况
6.3.2 材料本构模型
6.3.3 静力推覆结果分析
6.3.4 动力地震反应结果分析
6.3.5 结论
6.4 小结
参考文献
精彩书摘
2.剪力墙模型
(1)非线性分层壳 SAP2000V14中增加了用于模拟剪力墙非线性行为的单元——非线性分层壳单元。分层壳单元基于复合材料力学原理,将一个壳单元分成多层(如图1-6所示),每层根据需要设置不同的厚度和材料,材料一般包括钢筋或者混凝土等。在有限元计算时,首先得到壳单元中心层的应变和曲率,然后根据壳单元各层材料在厚度方向满足平截面假定,由中心层应变和曲率得到各钢筋和混凝土层的应变,进而由材料本构方程可以得到相应的应力,积分得到整个壳单元的内力。分层壳单元考虑了面内弯曲一面内剪切一面外弯曲之间的耦合作用,比较全面地反映了壳体结构的空间力学性能。文献[11~13]中,分层壳模型计算和实际结构试验进行了大量对比,表明了分层壳模型在分析剪力墙结构时具有很高的精度和实用性。另外壳的平面外性能受分层壳的层数影响,层数越多,计算结果越精确,文献[12]对其精度与层数的关系进行了详细研究。
钢筋混凝土剪力墙通常由若干混凝土层和钢筋层构成。在SAP2000中,钢筋是单轴材料,通过指定材料角来描述钢筋的分布方向,钢筋层的厚度通过将实配钢筋均匀“弥散”到一层的原理来换算。对于混凝土材料,可以选择:Mander模型来考虑箍筋的影响,用于模拟墙体端部的约束混凝土。因此,根据剪力墙厚度、配筋量、钢筋分布方式、材料等级的不同可以定义不同的分层壳单元,来模拟不同位置的墙肢或连梁的非线性行为。值得一提的是,在SAP2000中,可以有选择性地考虑分层壳单元各个自由度方向的非线性行为,以及有选择性地考虑平面外的非线性行为。因此可以根据实际情况合理简化剪力墙的分层壳模型,达到加快运算速度,保证计算精度的目的。
前言/序言
我国是一个地震灾害频发的国家,结构抗震工程历来受到工程实践和科学研究者的高度重视。结构工程设计理论与实践历经了“基于强度的设计”和“基于变形的设计”,虽然两者都还在工程设计中继续沿用,但其固有的缺陷(如针对地震工程的动力问题、脆性材料等)促使理论界和工程界在20世纪90年代开始了“基于性能的设计(Performance-Based Design)”的理论研究与工程实践探索。
虽然隐含着“满足设计规范就能够防止结构在强震中倒塌”,传统的设计规范并没有明确地建立结构的性能水准。基于性能的设计就是要对满足一定性能水准的设计提供可靠的保证。如何提供我国规范要求的“小震不坏、中震可修、大震不倒”(这与美国规范的三个重要性能水准基本一致:Immediate Occupancy[IO],Life Safety[LS],Collapse:Pre-vention)的性能水准?主要步骤为:(1)选择恰当的性能设计水准和设计荷载;(2)定义结构的性能评价指标(如层间位移角、塑性铰转角、剪力指标等);(3)取得变形和内力的限值(强度值和变形值可以通过规范或实验获得);(4)通过结构分析的手段计算出变形和内力(通常需要非线性分析);(5)求得需求/能力比(Demand/Capacity),如D/C>1,则要修改设计。
基于性能的设计对工程师提出了更高的要求,需要工程师对结构有更清晰的认识,需要工程师具备充分的理论素养、工程经验和计算分析能力等综合素质。
在基于性能的设计中,结构的某些构件是可以屈服的,而另一些构件必须处于弹性状态;如果我们不能够清晰地分辨构件应该所处的状态,只依靠计算分析来告诉我们——这是非常危险的——我们只能分析一个近似的“模型”,而不是实际结构。所以必须事先确定哪些构件能够屈服,而哪些必须处于弹性状态,这样我们就可以将可屈服构件设计成具有足够的延性,将弹性构件设计成具有足够的承载力。
探索建筑的韧性边界:超越静态思维的抗震设计新篇章 本书并非一本关于特定分析方法的教材,而是旨在开启一场关于建筑工程抗震设计的深度思考与视野拓展。我们聚焦于如何构建更安全、更具韧性的建筑,使其在面对不可预测的地震荷载时,能够最大限度地减少损伤,保障生命财产安全。本书将引导读者跳出传统的、基于静态或准静态假设的设计模式,拥抱更为动态、更为逼真的工程分析理念,从而在设计实践中找到更优的解决方案。 一、 理解地震的本质:从“规矩”到“真实” 传统抗震设计往往依赖于一系列简化假设和规范化的参数。例如,将地震视为一组静态的水平力,或者采用线弹性模型来模拟结构的响应。然而,真实的地震过程远比这复杂。地震波的传播是高度动态的,其频率、振幅、持续时间以及空间变化都具有极大的不确定性。地震对建筑的影响,更是从结构的动力特性、非线性响应,到材料的损伤累积,再到整体的破坏机制,是一个多尺度、多过程耦合的复杂现象。 本书将深入探讨地震动的时程特性,解析不同类型地震波(如远场地震、近场地震、脉冲型地震)对结构产生的独特影响。我们将超越简单的峰值加速度或速度概念,关注地震动的能量传递、频域特征以及其对结构动力特性的激发。通过对历史地震案例的深入剖析,读者将能更直观地理解地震的破坏力是如何从地面传递到建筑,并在结构内部引发一系列连锁反应。这种对地震本质更深刻的理解,是实现真正意义上高性能抗震设计的基石。 二、 告别线性思维:拥抱结构的非线性世界 在传统的线性弹性设计框架下,结构的响应与其荷载成正比。然而,当结构的损伤累积到一定程度,甚至达到屈服点时,其行为将显著偏离线性规律,表现出强烈的非线性特征。材料的刚度会显著降低,阻尼特性会发生变化,甚至会发生显著的变形和局部破坏。忽视这种非线性效应,将导致对结构实际承载能力和破坏模式的严重低估,从而在强震中可能引发灾难性的后果。 本书将引领读者深入探索结构的非线性响应。我们将讨论不同构件(如梁、柱、剪力墙、节点)在经历大变形和损伤后的力学行为。例如,钢筋混凝土构件在经历屈服后的应力-应变关系,钢结构在受压失稳前的承载力变化,以及砌体结构在拉伸破坏和剪切破坏下的力学表现。我们将探讨如何建立和运用能够反映这些非线性行为的计算模型,并分析不同非线性效应(如几何非线性、材料非线性、接触非线性)在结构整体响应中的作用。通过对非线性行为的精确模拟,我们可以更准确地预测结构的极限承载能力,识别潜在的薄弱环节,并优化设计以提高结构的延性,使其能够在强震中“柔性”抵抗,而非“脆性”断裂。 三、 动态分析的进阶:从“静态推演”到“动态演化” 传统的抗震设计通常采用静力分析或准静态分析方法,将地震荷载等效为一系列静力荷载施加于结构。这种方法在一定程度上能够反映结构的静力承载能力,但却忽略了地震过程中能量的持续输入和结构的动力响应特性。结构的实际表现,是地震能量不断被吸收、耗散和传递过程中,结构状态不断演化的结果。 本书将重点介绍和阐述动态分析方法在抗震设计中的重要性。我们将详细讲解时程分析(Time History Analysis)的基本原理和计算流程。时程分析能够直接输入实际的地震动记录(或模拟的地震波),模拟结构在地震作用下随时间变化的动力响应,包括位移、速度、加速度、内力以及损伤程度。我们将讨论如何根据场地条件和预期地震风险选择合适的地震波,以及如何解释时程分析结果,如最大层间位移角、各层结构的加速度反应谱、构件的损伤指标等。此外,我们还将触及其他先进的动力分析技术,如反应谱分析(Response Spectrum Analysis)的深化应用,以及如何根据分析结果对结构进行优化设计,例如调整结构的质量分布、刚度分布和阻尼特性,以达到最佳的抗震性能。 四、 性能化设计理念:从“容许破坏”到“目标性能” 传统的抗震设计目标往往是“防止倒塌”,即在设定的地震作用下,结构不至于发生整体性倒塌,以保证人员疏散。然而,这种“容许破坏”的设计理念,在现代社会对于建筑功能性和经济性的要求日益提高的背景下,显得愈发不足。特别是在高烈度地震区,即使结构不倒塌,严重的损伤也可能导致建筑功能丧失,修复成本高昂,甚至需要拆除重建,造成巨大的经济损失和社会影响。 本书将深入探讨性能化抗震设计(Performance-Based Seismic Design, PBSD)的理念和方法。性能化设计将抗震设计的关注点从仅仅满足规范的“承载力要求”,转向实现“可预期的性能目标”。例如,在不同地震等级下,结构应达到“正常使用”、“生命安全”或“防止倒塌”等不同的性能水平。我们将介绍如何根据设定的性能目标,选择合适的结构体系和构件设计策略。例如,采用延性设计技术,通过对构件强弱顺序、延性耗能机制的设计,使其在强震中能够发生可控的塑性变形,从而吸收和耗散地震能量,保护核心承重构件。本书还将讨论如何通过结构减隔震技术(如隔震支座、阻尼器)来实现更高的抗震性能,以及如何评估和验证设计是否能够达到预期的性能目标。 五、 结构韧性与可持续发展:面向未来的抗震新视角 随着城市化进程的加速和极端天气事件的增多,建筑的韧性(Resilience)已成为衡量其综合性能的关键指标。韧性不仅意味着结构在地震后不易倒塌,更强调其在遭受破坏后,能够快速恢复功能、减少经济损失、保障社会稳定。 本书将从更宏观的视角审视抗震设计与城市韧性、可持续发展的关系。我们将探讨如何通过优化结构设计、采用新型高性能材料,以及整合城市基础设施的抗震能力,来提升整个城市区域的抗震韧性。例如,如何设计具有自恢复能力的结构构件,如何利用智慧监测技术对结构健康状况进行实时评估,以及如何在灾后快速有效地进行结构评估和修复。本书还将触及抗震设计在绿色建筑、可持续城市建设中的作用,思考如何通过更优的抗震设计,减少地震造成的环境破坏,降低修复过程中的碳排放,从而实现建筑工程的长期可持续发展。 总而言之,本书旨在为建筑工程领域的专业人士、研究人员和学生提供一个全新的思考框架和实践导向。它鼓励大家深入理解地震的复杂性,拥抱结构的非线性行为,掌握先进的动力分析技术,并践行以性能为导向的设计理念。通过这些努力,我们不仅能够建造更坚固的建筑,更能构建一个更安全、更具韧性的未来。