大震静力弹塑性分析及结构性能评价分析

2025-11-05
摘要：新形势下，随着建筑行业的发展，大量新技术、新方法被用于设计施工环节。文章立足当今时代背景，以某幼儿园项目为例，围绕大震静力弹塑性、结构性能展开讨论，详细介绍了Pushover的原理和分析步骤，结合分析结果证实了该方法的普适性，并对实操过程中的注意事项进行了总结。希望能够给有关从业人员以启发，为日后建筑设计施工提供可靠参考。


作者：周永波

引言：近几年，随着地震工程学的发展，传统的基于强度的设计方法已无法做到充分满足工程需求，大震静力弹塑性分析能够模拟结构在极限状态下的非线性行为，为有关人员提供评估结构抗震性能的有效工具，结构性能评价分析则能够为优化设计、提升建筑安全性和功能性提供决策依据。由此可见，围绕大震静力弹塑性、结构性能分析方法展开讨论很有必要。
1项目概况
日前，某开发商计划在镇康县工业园区新建康达中缅商贸城幼儿园，施工地块周围场地相对平坦。地上面积约3660m²，总面积约5477m²，隔震层面积约1816m²，主体建筑整体高度约11m。其中，幼儿园的主楼长44.6m、宽32.8m，结构为三层框架结构，不含屋面构架、隔震层，总高度11.4m；音乐厅长、宽均为12.07m，结构为一层框架结构，实测高度6.0m。
2分析方法
基于罕遇地震作用分析结构静力弹塑性，强调从结构性能出发，根据量化计算结果，分析大震作用给按照既定抗震设计方案所设计结构产生的影响，据此判断结构抗震性能是否达标。Pushover是近几年得到推广的简化分析技术，主要用于分析结构受罕见地震作用所给出的弹塑性响应。该方法的本质与反应谱分析相似，主要采用静态加载模拟地震对结构的影响，操作过程中，通常需要先在结构模型上依照特定规则施加水平侧向力，例如，根据振动模式分解和反应谱理论计算出的地震力[1]。随后，再持续增加负载并观察其效应，一旦检测到构件裂纹或降服，便着手调整构件的刚度或停止其作用，更新整体结构的刚度特性，同时进行下一步分析。这个过程会一直重复，直至结构达到一个特定的状态，例如，位移超标或实现预定的目标位移，以评定结构是否能符合抗震标准。Pushover技术包含两个基本环节：一是绘制出建筑的负载与位移关系图，二是对其抗震性能进行评定。这一方法非常适用于预测建筑在整体和局部上的弹塑性行为，并且能够辅助有关人员发现在弹性设计阶段可能忽视的问题，例如，楼层的屈服模式、过度的形变以及抗力和硬度的意外变化等潜在风险。通过分析工程应用情况、研究成果能够发现，该方法在特定范围内可以准确、全面反映结构性能，这也间接表明将其用于高层建筑设计施工的做法具有可行性。
抗震性能设计对应能力谱法具体步骤为：基于Pushover确定具体的结构能力曲线；根据能力曲线推导能力谱曲线，由此展示谱位移、谱加速度之间的关系；根据应谱确定需求谱曲线。在实际操作时，要注意以下几点：（1）侧推分析环节，时刻关注构件情况，这是因为一旦构件进入弹塑性状态，结构阻尼便会显著增加，此时，能力谱曲线所标出各点均可以被用来确定该时刻所对应的结构阻尼比。（2）有关人员可通过将结构能力谱、需求谱叠加的方式，确定结构具体性能点。在叠加分析过程中，需对能力谱曲线所标出各点实际阻尼比进行计算，掌握阻尼比变化规律。考虑到需求谱收缩情况与阻尼比有关，因此，除极特殊情况外，能力谱曲线均存在谱值和阻尼比相同需求谱完全重合的点，该点即为结构性能点。（3）明确结构性能点后，可根据结构性能点确定结构顶点位移最大值，在此基础上，对结构各层受罕遇地震作用所出现位移的大小加以分析。对结构层间的位移角进行计算，并与规范的要求进行对比，以评估结构是否能够满足在极端地震条件下的变形要求，同时，观察结构中塑性铰整体分布情况，可以识别出结构的薄弱层或者薄弱部位的具体位置。
3分析过程
本项目所采用分析程序为PUSH&EPDA模块。其中，PUSH模块为静力推覆分析模块，主要用于评估建筑结构在大震作用下的性能，通过计算模型的弹塑性反应，判断结构是否存在薄弱层或是薄弱构件，据此评价结构整体的抗倒塌性能。该模块的性能决定了其可以直接用于分析非线性静力弹塑性，基于能力谱法，对结构既有抗倒塌性能加以分析，准确输出包括性能点对应基底剪力值、层间最大位移角在内的多项重要参数，换言之，将该模块用于对钢筋砼或单一钢结构建筑的分析，通常能够取得事半功倍的效果。EPDA是分析弹塑性动力时程的模块，与PUSH相比，该模块关注的重点在于建筑结构对地震的实时反应，能够提供完整的动力时程分析功能，包括生成模型、定义实配钢筋和塑性铰、设置隔震单元和阻尼器等[2]。该模块通过输入地震波相关参数、材料本构关系以及结构相关参数，进行详尽的动力非线性方程计算，从而获得大震作用下的结构响应。实际操作时，需要先施加代表重力的荷载，随后，在保持第一步中的重力荷载不变的同时，逐步增加水平作用力，每次增加一个单位。在分析非线性静力时，有关人员应重点观察顶层水平位移情况，一旦位移的大小超过预设范围，则应及时通过人工干预的方式，终止后续分析。
4分析结果
本项目中，Pushover分析结果如表1、表2所示：


表 1 主楼分析结果

方向

X

Y

所在楼层

4层

4层

顶点位置

48.0mm

47.8mm

基底剪力

5236.6

5424.0

顶点相对位移

1/254

1/255

层间最大位移

1/233

1/221

小震基底剪力比值

3.78

3.25


表 2 音乐厅分析结果

方向

X

Y

所在楼层

2层

2层

顶点位置

32.5mm

32.5mm

基底剪力

473.7

473.7

顶点相对位移

1/277

1/277

层间最大位移

1/228

1/228

小震基底剪力比值

2.72

2.72


本项目的实践表明，Pushover是评估建筑结构抗震性能的常用工程分析手段，强调通过逐步增加侧向荷载，模拟地震对结构持续施加的作用，直至结构状态达到极限，与此同时，结构对应荷载-位移曲线将被如实记录，有关人员可以通过观察该曲线的方式，识别出结构的屈服机制，了解结构在接近倒塌时的承载能力和变形能力[3]。总之，科学应用Pushover，不仅能够帮助有关人员快速发现结构薄弱层的位置，还可以为评估抗倒塌能力等工作提供便利。
其中，针对大震静力弹塑性分析，应重视对结构模型、材料本构关系的选择，这是因为选择结果科学与否，通常会直接影响分析结果的准确程度。侧向荷载模式的选用同样十分重要，不同的荷载模式往往对应不同的结构响应，分析过程中，有关人员应做到时刻监控结构对应荷载-位移曲线，及时根据曲线所提供信息调整分析参数，确保分析所得出最终结论具有实际意义。此外，在解释、应用分析结果时，要融入行业规范、自己长期实践所积累经验，主动提出疑问，保证潜在问题能够及时得到解决。针对结构性能评价分析，通常需要先明确评价目标和性能标准，为后续有针对性地开展评估工作奠基。确定评价目标及标准后，再对荷载组合和作用方式做出选择，保证所选择荷载组合、作用方式能够覆盖结构可能遭遇的各种情况。分析过程中，重点关注结构的全局性能、局部细节的影响。通过分析得出结果后，综合考虑结构的安全性、使用性还有经济性，撰写报告，保证报告内容清晰、准确，能够为项目结构设计或加固工作提供指导。
结论：通过分析可知，虽然Pushover问世的时间较短，但该方法已凭借操作简便、结果直观等诸多优点，在工程界得到了广泛应用，并成为评估和提升建筑抗震性能的重要工具之一。未来，有关人员应加大对该方法的研究力度，进一步完善使用方案，以确保该方法的价值在建筑施工领域得到最大化实现。
参考文献：
[1]王舜奇,刘龙飞.静力与动力弹塑性结合判断薄弱部位的探讨[J].山西建筑,2021,47(20):46-49.
[2]刘斌强.基于静力非线性分析的钢筋混凝土框架结构性能评价[J].甘肃科技,2021,37(17):121-124.
[3]李继国.基于MIDAS/Gen的某超限高层建筑静力弹塑性分析[J].智能建筑与智慧城市,2020,(06):63-65.


项目名称：康达中缅商贸城幼儿园施工图设计
项目机构：云南省城乡规划设计研究院市政设计分院
项目成员：刘志国   李明   赵思法   康项


声明：转载请标明出处链接： https://m.ynghy.cn/nd.jsp?id=1237
阅读41
分享