push-over

push-over（通用3篇）

push-over 篇1

静力非线性push-over分析方法是基于性能/位移的抗震设计方法, 是近年来在国内外得到广泛研究应用的用于评价结构抗震能力的新方法。push-over分析是在结构上施加竖向荷载并保持不变, 同时施加某种分布的水平荷载, 该水平荷载单调增加, 构件逐步屈服, 从而得到结构在横向静力作用下的弹塑性性能。本文对框架剪力墙结构体系进行静力非线性push-over分析, 以分析其抗震性能, 了解结构的破坏过程和薄弱部位。

1 计算模型

某12层小高层住宅楼, 采用框架剪力墙结构体系, 首层层高4 m, 标准层高3 m, 楼层总高度37 m。抗震设防类别为丙类, 场地类别为Ⅱ类, 设防烈度为8度, 地震基本加速度为0.2g, 构件尺寸:柱为500 mm×500 mm, 梁为300 mm×600 mm, 剪力墙厚为200 mm, 采用C30混凝土, 柱网和剪力墙的布置方案。

2 结构分析

结构计算模型采用杆系模型, 在有限元软件MIDAS中建模进行静力非线性push-over分析, 梁柱采用软件中的梁单元, 剪力墙采用墙单元。在MIDAS中, 结构材料的非线性是通过离散铰来模拟的, 也称为非线性铰。离散的框架塑性铰属性基于ATC-40和FEMA-273标准。一般的力—变形特性用点A, B, C, D和E来定义。点B代表铰的屈服。在点A和点B间铰内没有塑性变形发生, 即铰屈服前被假定为线性的。当铰的受力状态到达点C时, 开始失去承载力。点IO, LS和CP代表铰的能力水平, 分别对应于直接使用、生命安全和防止倒塌。在静力非线性分析中, MIDAS可以模拟轴向、弯曲、剪切、扭转等塑性铰形式, 还可以模拟轴力和双轴弯矩的耦合, 另外对塑性铰的屈服点及屈服曲线可以进行用户自定义, 以满足不同的弹塑性分析。特别是可以模拟剪力墙的塑性发展情况, 可以假设在剪力墙的i, j两端。设置静力非线性分析工况, 采用位移控制推覆进程, 运行结果如下。

2.1 结构周期与振型

结构周期与振型见表1, 图1。

2.2 塑性铰发展过程

结构由Y正向逐步施加水平推力, 荷载步0对应于竖向荷载作用下结构的状态。荷载步1结构没有出现塑性铰, 仍处于弹性阶段。荷载步2时首层墙4和墙8的i, j两端首先出现CP段塑性铰, 说明墙首先屈服。荷载步3时首层墙1和墙6出现E段塑性铰, 同时2层墙4和墙8也加入塑性阶段, CP段塑性铰占所有铰数量的0.5%, DE段塑性铰占0.2%。梁柱都处于弹性阶段, 期间剪力墙起到了第一道抗震防线的作用。荷载步4时4层～7层?轴, 轴中间梁进入CP塑性阶段, 首层?轴交①轴柱首先受拉加入塑性阶段。 轴, 轴, 轴梁柱均无塑性铰的出现。随荷载步递增, 塑性铰继续增多。荷载步8时?轴, 轴交①轴处1层柱首次出现塑性铰。荷载步22后梁柱塑性铰发展很快, CP段塑性铰占所有铰数量的28.1%, DE段塑性铰占0.8%。荷载步40时首层①, ②, ③轴基本都出现E阶段塑性铰, 结构已进入失效阶段, 在支座处和首层均发展了相当数量的E阶段塑性铰, CP段塑性铰占所有铰数量的25.9%, DE段塑性铰占4.8%。

2.3 基底剪力—顶点位移曲线

图2为结构Y向基底剪力—顶点位移曲线, 即结构的能力曲线。曲线的最高点, 基底剪力为11 700 kN、顶点位移为156 mm, 此时的基底剪力为结构所能承受的最大值。该曲线可以近似为三段折线, 第一阶段处于弹性阶段;第二阶段由于有些塑性铰已经形成并且刚进入屈服阶段, 荷载—变形曲线放缓;第三阶段塑性铰向极限承载力方向发展, 曲线斜率进一步放缓, 即相对于基底剪力而言, 顶点位移的变化率越来越大。

2.4 结构能力谱与需求谱

如图3所示结构的能力谱和需求谱族曲线的交点就是该水准地震下结构的性能点。图3a) , 3b) , 3c) 分别为结构小震、中震、大震的需求谱族与能力谱。

2.5 结构层间变形验算

根据图3a) 可知:小震下结构的性能点坐标Sat=0.146g和Sdt=4.9 mm;根据图3b) 可知:中震下结构的性能点坐标Sat=0.369g和Sdt=14.88 mm;根据图3c) 可知:大震下结构的性能点坐标Sat=0.594 6g和Sdt=32.1 mm。进行逆转换就可以得到小震下结构的基底剪力V=1 980 kN和相应的顶点位移Δ=7.25 mm, 中震下结构的基底剪力V=5 010 kN和相应的顶点位移Δ=21.9 mm, 大震下结构的基底剪力V=8 066 kN和相应的顶点位移Δ=47.26 mm。小震性能点出现在第2荷载步, 大震性能点出现在第12荷载步。小震下在结构性能点处, 最大层间位移角为1/4 285, 小于GB 50011-2001建筑抗震设计规范第5.5.1条规定的钢筋混凝土框架—抗震墙结构弹性层间位移角限值1/800;大震下在结构性能点处, 最大层间位移角为1/576, 小于GB 50011-2001建筑抗震设计规范第5.5.5条规定的钢筋混凝土框架—抗震墙结构弹塑性层间位移角限值1/100。所以该工程结构在Y向满足抗震设防要求。

3 结语

通过使用MIDAS有限元软件建模分析得出以下结论:MIDAS具有良好快捷的建模界面, 特别是其强大的静力非线性分析模块, 可以较真实的对剪力墙体系, 框架—剪力墙体系, 框架—核心筒体系等结构进行push-over分析并得出合理的结果;作为双重抗侧力体系的框架—剪力墙结构, 在抗御地震时, 剪力墙充当第一道防线, 框架则作为第二道防线, 这样可以吸收耗散大量的地震能量;从push-over分析结果中不难看出结构1层和2层墙梁首先进入屈服破坏阶段, 因此在改进设计时可以重点加强底层构件的强度和延性。

摘要：使用有限元软件MIDAS对框架剪力墙结构体系进行了静力非线性push-over分析, 借助MIDAS软件独特的墙铰单元, 着重探讨了框架剪力墙结构的破坏过程, 并指出这是ETABS和SAP2000等软件所不能实现的。

关键词：静力非线性分析,墙铰,性能点,MIDAS

参考文献

[1]王跃方, 谷滨, 李海江.框架结构地震反应pushover研究[J].大连理工大学学报, 2002, 42 (6) :47.

[2]李荣华.框架结构抗震性能的静力非线性分析研究[D].邯郸:河北工程大学, 2007.

[3]北京金土木软件技术有限公司, 中国建筑标准设计研究院.ETABS使用指南[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004.

[4]陈锡平, 丁建国, 张勇.高阶振型对结构Pushover分析的影响[J].山西建筑, 2007, 33 (4) :62-63.

push-over 篇2

基于性能的结构抗震设计是指对应不同设防水平、不同的结构, 提出相应的性能目标, 由不同的性能目标提出不同的抗震设防标准, 采用一定的建筑材料、施工方法和结构分析手段完成设计, 使所设计的建筑物在未来的地震中具备预期的功能, 从而使建筑物在整个使用期内, 在可能遭遇的地震作用下总的费用最少, 所设计的结构将会更经济、合理, 且对应于不同的设防水准结构的性能是可预知的。本文采用MIDAS/GEN对一栋42层剪力墙结构进行静力弹塑性分析和抗震性能评价, 从层间位移角、塑性铰分布及变形等方面对结构进行了综合的量化评价, 揭示出结构在罕遇地震作用下的薄弱环节, 实现了基于性能的抗震设计。

2 静力弹塑性分析方法

静力弹塑性分析 (PUSH-OVER ANALYSIS, 以下简称POA) 方法也称为推覆法, 它基于美国的FEMA-273抗震评估方法和ATC-40报告, 是一种介于弹性分析和动力弹塑性分析之间的方法, 其理论核心是“目标位移法”和“承载力谱法”。Push-over分析方法本质上是一种与反应谱相结合的静力弹塑性分析方法, 它是按一定的水平荷载加载方式, 对结构施加单调递增的水平荷载, 逐步将结构推至一个给定的目标位移来研究分析结构的线性性能, 从而判断结构及构件的变形、受力、是满足设计要求[1]。

3 工程概况

⑴基本计算参数。本工程为一栋42层剪力墙结构, 总高144.40m (B级高度) , 存在考虑偶然偏心的扭转位移比大于1.2、楼板有效宽度小于50%、多塔等不规则项, 属于高度超限和一般不规则超限高层建筑。场地抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度值0.10g, 设计地震分组为第一组, 建筑场地类别为Ⅱ类。

⑵计算模型。三维有限元模型, 如图1所示。

⑶小震弹性分析结构比较, 见表1所示。

⑷小震弹性时程分析结构比较, 见表2所示。

振型分解反应谱法计算的结构底部剪力大于弹性时程分析法计算的平均值, 说明采用振型分解反应谱法计算能满足规范要求[2]。

⑸罕遇地震作用下抗震性能目标。根据本工程的超限情况, 以及与业主的沟通结果, 选定本工程的抗震性能目标为《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中所提的D级[3]。各构件的性能目标如下:框支框架 (框支柱、框支梁) 不屈服;底部加强区剪力墙抗弯允许部分屈服, 抗剪不屈服;普通竖向构件:框架柱, 底部加强区以上剪力墙允许局部进入塑性, 控制变形;耗能构件:连梁及普通框架梁允许进入塑性[5]

4 罕遇地震作用下静力弹塑性分析

本工程静力弹塑性分析采用通用有限元软件MI-DAS/Gen进行, 并采用FEMA—273和ATC—40所建议的方法评价结构是否达到所设定的目标。推覆荷载分别按X向和Y向的第一模态形式及层剪力分布形式加载, 初始荷载为1.0恒载+0.5活载。并按照ATC-40所建议的方法对各阶段结果进行评价;不同性能水准下塑性铰位移限值, 如图2所示[4]。

各阶段性能点对应的含义:A点:未加载状态;B点:出现塑性铰;IO=直接居住极限状态 (Immediate Occupancy) ;LS=安全极限状态 (Life Safety) ;CP=坍塌防止极限状态 (Collapse Prevention) ;C点:开始倒塌点。从推覆分析的结果来看, 结构达到性能点时, 按层剪力分布形式加载分析得到的底部剪力大于按第一模态形式加载的结果, 结构出现塑性铰的数量及出铰的情况均好于按第一模态形式加载的结果。

⑴push-over分析曲线, 如图3所示。

⑵推覆分析不同加载模式下底部剪力、层间位移角比较, 见表3示。

层间位移角最大值均小于规范规定的弹塑性层间位移角限值1/120[2]。

⑵模态加载下转换层底部剪力和性能点层间位移角比较, 见表4所示。

⑶罕遇地震作用下层间位移角曲线。如图4所示。最大层间位移角出现在第15层, 为1/171, 小于规范规定的弹塑性层间位移角限值1/120[2]。

⑷罕遇地震作用下塑性铰状态分布, 如图5所示。

从图5可以看出, 在性能点时墙肢已出现部分塑性铰, 除标准层少量梁铰进入CD阶段 (开始破坏) , 其他均处于B阶段和以下阶段 (基本弹性状态) 。经放大观察, 出现CD阶段铰的部位主要是塔楼标准层连梁、框架梁及局部小墙肢, 底部加强区剪力墙未出现剪切铰。梁相对于剪力墙、柱出现较多塑性铰, 从而证明结构实现了强柱弱梁。从剪切铰和弯矩铰的发展程度来看, 弯矩铰发展较充分, 从而证明结构实现了强剪弱弯。由此可见, 结构构件均满足事先设定的性能水准5目标。结构的塑性铰出现的顺序是梁, 然后才是柱和剪力墙, 充分体现了“强柱弱梁”的特性, 说明该结构具有很好的延性。

5 结论

本文应用大型空间有限元程序MIDAS/GEN对一栋42层剪力墙结构进行静力弹塑性分析和抗震性能评价, 结果表明:p ush-over分析方法不仅能对结构在多遇地震作用下的响应进行较为准确的分析, 而且可以对结构在罕遇地震下可能会出现的薄弱部位及破坏情况进行较具体的量化估计, 是实现基于性能抗震设计的有效方法。

参考文献

[1]侯高峰, 王建国, 张茂, 基于MIDAS/GEN高层建筑结构静力弹塑性分析[J].合肥工业大学学报 (自然科学版) , 2008.10

[2]建筑抗震设计规范 (GB50011-2010) [S].北京:中国建筑工业出版社, 2010

[3]高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ3-2010) [S].北京:中国建筑工业出版社, 2010

[4]北京MIDAS技术有限公司, MIDAS非线性分析说明书[M], 2009

push-over 篇3

国外对Push-over分析方法的研究和应用较早。1975 年能力谱方法出现后, 人们开始研究Push-over分析方法的原理, 并且尝试在结构的地震分析中逐渐用等效单自由度体系来替代复杂的多自由体系, 渐渐将其演化为结构抗震能力评估的一种良好方式。国外对结构静力弹塑性Push-over分析方法的研究成熟后, 逐渐被广泛使用, 是一种流行的抗震设计方法, 但是在我国Push-over分析方法还没有被完全消化, 不过近些年来这种分析方法逐渐开始被我国的广大学者和研究人员重视并且采用。目前已有很多学者对静力弹塑性Push-over分析方法的原理进行研究, 对建筑结构进行抗震分析取得了突破性的成果。从理论意义和工程的实用价值方面来看, Push-over对抗震分析具有很大的帮助。

1 静力弹塑性Push-over分析方法的介绍

Push-over分析方法的本质是一种静力弹塑性分析方法, 但是Push-over分析方法与之前其他的静力计算方法相比又有很大的不同, 它在设计反应谱中加入了之前其他的抗震设计方法所欠缺的计算过程以及计算成果的工程解释。用这种方法评估结构的抗震能力, 通常需要一系列结构参数调整和迭代计算的过程。在迭代计算中, 如果发现结构的缺陷或者不足, 可以在下次迭代前改进, 直至使设计达到预定的结构性能指标。这些指标可以依建筑物的重要程度和投资者的意图而定, 体现出基于性能的结构抗震设计思想。Push-over分析方法是沿结构高度施加侧向荷载, 逐步增加荷载的大小, 结构便由弹性工作状态逐渐转变为塑性工作状态, 之后结构的薄弱环节会发生破坏, 最终结构无法继续工作, 直至完全破坏, 这也就是推覆分析法。Push-over分析方法可以作为建筑物顶部位移幅值或者其他结构反应参数限定值的设计依据。

2 静力弹塑性Push-over分析方法的基本假定

1) 多自由度体系结构与其等效单自由度体系的力—位移关系如图1 所示, 根据对此图分析所得到的结论, 可忽略地震作用过程中高阶振型的贡献, 只考虑第一振型的影响。

2) 在地震反应过程中, 楼板在自身平面内的刚度无限大, 平面外刚度可不考虑。

3 静力弹塑性Push-over分析方法的原理

对结构逐级单调施加水平侧向荷载, 结构逐渐由弹性工作阶段转变为塑性工作阶段, 在加载过程中对结构进行分析, 顺序记录并分析结构的位移、开裂、屈服等地震反应过程, 直至结构无法继续工作, 完全破坏, 由此判断分析出结构的抗震能力, 这种分析方法对结构抗震能力的分析有很大的意义。Push-over分析方法的实质是一种静力分析方法, 它的突出优点在于它既考虑了结构的弹塑性特征又将设计反应谱引入了计算过程和计算成果的解释, 且与时程分析法相比工作量大为减少。

4 Push-over分析方法与其他分析方法的比较

4. 1 Push-over分析方法和静力弹性分析的比较

由于抗震设计分析中等效荷载法的种种缺陷, 人们开始在抗震分析中使用底部剪力法, 底部剪力法是由振型分解法简化得到的一种抗震分析方法。该方法假设地震反应主要以基本振型为主, 并且将计算中使用的基本振型假设为倒三角形分部。静力弹性分析的优点是概念清晰且计算简便。在对建筑结构震害进行预测时, 要求已知在地震作用下结构塑性阶段时的参数, 仅凭弹性分析得到的内力与变形远远不能正确的估计结构的破坏, 弹性分析的结果已经不能满足要求。在迭代计算中, 如果发现结构的缺陷或不足, 可以在下次迭代前改进, 直至使设计达到预定的结构性能指标。由于静力弹塑性Push-over分析能够分析结构在塑性阶段的状态并且能够得到较为准确的工作参数, 因而对于结构进入塑性阶段的抗震分析有很大帮助。

4. 2 Push-over分析方法和时程分析方法的比较

时程分析方法又被称为逐步积分法, 分析方法的原理为: 结构屈服以后, 随即进入非弹性阶段, 此时结构的最大变形便与其所受到的荷载历史有关, 其总刚度矩阵就由常量变成为变量, 振型分解反应谱法或者底部剪力法等就不再适用了。可以将时间增量划分比较细, 将动力方程在地震加速度输入下直接积分, 便求得动力反应, 从而求出动力反应与时间之间的关系。时程分析法的特点为分析计算的工程量比较大, 并且这种方法可以针对具体不同的工程地质条件来选定不同的地震波。从这个例子可以看出动力时程分析方法非常适合计算弹性、弹塑性以及非弹性问题。

静力弹塑性Push-over分析方法和非线性时程分析方法相比, 其优点在于, Push-over分析方法花费较少的时间和精力就可以达到设计标准要求的精度, 从而对于寻找结构的薄弱环节和危险点有较大的帮助。静力弹塑性Push-over分析方法有可能会降低对杆端的塑性转角的计算, 因为这种方法忽略了地震荷载对结构非弹性变形的影响。

5 结语

本文介绍了Push-over分析方法的基本原理, 对Push-over分析方法同静力弹性分析和时程分析方法进行对比, 得出了以下结论:

1) 在侧向荷载的逐渐加载作用下, 结构的薄弱环节就会发生破坏, 通过对加载构件的分析, 了解和分析结构的变形和受力情况, 判断结构的变形和受力是否符合设计规范和要求, 从而发现设计中构件的薄弱环节并且为结构的改进给出参照。

2 ) 与采用《建筑抗震设计规范 》中的抗震设计方法相比, 用Push-over分析为原理的抗震设计考虑了结构因高度变化产生的不同变形情况, 并且后者对结构的抗震性能有很大的改善。

3) 对结构进行静力弹塑性分析 ( Push-over分析) 对结构抗震设计和抗震能力的分析和评估有很大的意义和作用。

参考文献

[1]李胜林, 邓映捷.Pushover分析和SAP2000[A].结构分析与设计软件SAP2000中文版知识选讲[C].2014.

[2]北京金土木软件技术有限公司.SAP2000中文版使用指南[M].北京:人民交通出版社, 2006.

[3]汪梦甫, 周锡元.关于结构静力弹塑性分析 (pushover) 方法中的几个问题[J].结构工程师, 2002 (4) :71-72.

[4]北京金土木软件技术有限公司.Pushover分析在建筑工程抗震设计中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[5]侯爽, 欧进萍.结构Pushover分析的侧向力分布及高阶振型影响[J].地震工程与工程震动, 2004, 24 (3) :89-97.