1、建筑工程結構動力彈塑性時程分析摘要：本文主要對深圳某建筑工程結構動力彈塑性時程情況進行了分析，包括彈塑性分析方法、單元類型及有限元模型、抗震情況等，最后對該工程的總體抗震性能作出評價，并提出建議。 關鍵詞：結構; 動力彈塑性; 時程分析; ABAQUSAbstract: this paper mainly to the shenzhen a building engineering structure dynamic elastic-plastic time history analysis, including elasto-plastic analysis method, the unit
2、 type and finite element model, such as seismic situation, and finally, the engineering of the overall seismic performance evaluation to make, and puts forward some Suggestions.Keywords: structure; Dynamic elastic-plastic; Time history analysis; ABAQUS中圖分類號：TU3文獻標識碼：A 文章編號： 工程概況 該項目位于深圳地鐵3號線六約站原檢修主廠
3、房的上部，為12層的保障性住房。原檢修主廠房為純框架結構水平向跨度為12m，豎向跨度為18m及21m。層高12.3m，基礎為人工挖孔樁。本次設計是在原有已完工建筑基礎上進行。先設一層轉換層，層高7.2m，然后是塔樓部分，均為12層，結構形式為剪力墻結構。 工程特點：一是轉換結構，塔樓沒有墻肢落地；二是大跨結構，混凝土轉換梁最大跨度達21m；三是豎向剛度突變，首層層高12.3m，第二層層高7.2m。 結構動力彈塑性時程分析 （一）彈塑性分析方法 目前常用的彈塑性分析方法從分析理論上分有靜力彈塑性（pushover）和動力彈塑性兩類，從數值積分方法上分有隱式積分和顯式積分兩類。本工程的彈塑性分析將
4、采用基于顯式積分的動力彈塑性分析方法，這種分析方法未作任何理論的簡化，直接模擬結構在地震作用下的非線性反應。 單元類型及有限元模型分析 單元類型 模擬梁柱采用B31 單元，ABAQUS中的B31 單元考慮塑性區發展， 桿件剛度由截面內和長度方向動態積分得到，其雙向彎矩和彎拉的滯回性能可由材料的滯回性能精確反映。鋼筋混凝土截面或鋼骨混凝土截面定義（本分析沒有采用鋼骨混凝土構件）：不考慮鋼筋和型鋼構件和混凝土的相對滑移，程序根據平截面假定，對各個部分構件截面積分點，計算出混凝土構件的截面彎矩、軸力和剪力。 剪力墻采用S4R 單元，樓板采用S4R和S3R 單元，剪力墻和樓板內的鋼筋采用rebar單元
5、， 可以考慮多層鋼筋布置，邊緣構件和暗柱配筋采用箱型截面構件代替。 有限元模型分析 整體模型由轉換程序從etabs導入，包括幾何信息，單元劃分，梁單元長度1m左右，剪力墻單元0.7-1m，樓板單元1m左右；梁柱構件的配筋根據Satwe計算的配筋結果由程序自動導入，梁鋼筋考慮了各段的不同和頂面筋和底面筋的不同；剪力墻和樓板的配筋根據satwe計算配筋調整后的配筋手動輸入；重力荷載代表值和質量源由轉換程序自動導入。ABAQUS有限元模型如圖（一）圖（一）ABAQUS有限元模型 為了確保ABAQUS非線性結構分析模型正確性，在構件進入彈塑性階段之前，計算模型的動力特性與ETABS彈性分析模型保持一致
6、，對兩個程序計算的周期和振型進行對比。下表給出了ABAQUS模型和ETABS模型前3個振型及周期的對比。下圖則給出前3個振型的變形形狀對比。ABAQUS計算的結構總質量為83198t，ETABS計算的為82570t，基本一致；同時通過下表結果顯示，ABAQUS彈性模型與ETABS彈性分析模型的動力特性基本是一致的，周期對比表如表2。 1、進行結構自振周期的分析；2、施加重力荷載代表值；3、在重力施加后的基礎上施加地震作用（值得說明的是，上述所有分析過程，材料非線性（彈塑性本構）及幾何非線性貫穿始終）。 按照抗震規范要求，罕遇地震彈塑性時程分析所選用的單條地震波需滿足以下頻譜特性：特征周期與場地
7、特征周期接近；最大峰值符合規范要求或安評要求；持續時間為結構第一周期的510 倍；時程波對應的加速度反應譜在結構主要周期點上與規范或安評反應譜相差不超過20。 本次分析中的場地波按三向地震輸入，三向地震輸入的地震波峰值比為X：Y：Z=1：0.85：0.65，X向地震波峰值220Gal，持續時間都為30 秒。輸入地震波信息如表1，EL-Centro地震波、場地波加速度反應譜與規范反應譜比較如圖（二）： 從反應譜比較可以看出，在小于結構第一周期區段，EL-Centro波和CDB波的擬合加速度譜比規范譜大，而TAR波則小。 另外，通過ABAQUS模型，整體由轉換程序從etabs導入，包括幾何信息，單
8、元劃分，梁單元長度1m左右，剪力墻單元0.7-1m，樓板單元1m左右；梁柱構件的配筋根據Satwe計算的配筋結果由程序自動導入，梁鋼筋考慮了各段的不同和頂面筋和底面筋的不同；剪力墻和樓板的配筋根據satwe計算配筋調整后的配筋手動輸入；重力荷載代表值和質量源由轉換程序自動導入。得出最大位移角如表2： 從表2可以看出，EL-Centro波激勵下A棟和C棟塔樓X向層間位移角值最大，分別為1/101和1/124，場地波CDB激勵下B棟塔樓X向層間位移角值最大，為1/112，而Y向層間位移角最大值都為EL-Centro波激勵，分別為1/155，1/122和1/150，都滿足規范規定限值1/100。 總
9、體抗震性能評價及建議 通過上述3條地震波分析，我們可以得出如下結論： 底框柱的受壓損傷主要集中在第一層柱底和第二層柱頂，最大損傷值為0.77，出現在27號柱第二層柱頂，而 8，14，21，22號柱頂損傷值在0.6左右，其他柱損傷在0.4左右；部分數柱內縱筋出現受拉屈服，因此設計中可以適當增大第二層柱配筋，并增加箍筋配筋率，特別是柱帽位置，以提高柱的抗震承載力以滿足抗震性能評估指標。 鑒于轉換梁截面纖維的受力特性接近于單軸拉壓，且仍滿足平截面假定，故對轉換梁仍采用梁單元模擬。轉換梁的受剪破壞屬于脆性破壞而非延性破壞，因此轉換梁的抗剪承載力需要通過構造措施加強。轉換梁的抗彎塑性變形可以由前述纖維模
10、型精確模擬，可由混凝土和鋼筋的塑性變形程度來直觀抗彎承載力，本分析中轉換梁出現輕微受壓損傷，梁內縱筋也僅局部屈服，但塑性應變值較小，因此轉換梁的抗彎承載力足夠，滿足前述構件抗震性能評估指標。 塔樓的混凝土梁局部出現0.5左右的受壓損傷，部分梁內鋼筋進入塑性階段，最大塑性應變值0.0045，遠小于0.025，說明梁端還沒完全成為鉸，結構整體還完好，而梁端接入塑性階段，起著耗能和保護與其連接剪力墻肢的作用。 塔樓剪力墻受壓損傷嚴重位置主要集中在上部和墻肢與轉換梁連接處，部分墻肢與轉換梁連接部位出現嚴重受壓損傷，主要是剛度突變引起的應力集中，設計中做了處理，在埋土以下增加墻厚，利用梯形過渡。上部少數
11、墻肢出現的受壓損傷主要集中在墻肢與混凝土梁連接部位，而大震模型中并沒有考慮墻肢邊緣約束構件的作用，因此結果偏于保守；同時從等效主拉塑性應變值可以看出，大部分墻肢內鋼筋屈服，主拉塑性應變值大于0.01部位主要集中在底部和頂部電梯間周邊墻肢，對于墻肢受拉塑性應變過大的處理，可以通過增加配筋率解決，并增加邊緣構件配筋以提高墻肢抗震承載力和延性。 主體結構在大震作用下A棟塔樓最大彈塑性層間位移角 X向為 1/101，Y向為 1/155，B棟塔樓最大彈塑性層間位移角 X向為 1/112，Y向為 1/122，C棟塔樓最大彈塑性層間位移角 X向為 1/124，Y向為 1/150，均小于規范 1/100要求。 參考文獻： 1深圳市建筑設計研究總院有限公司.深圳市地鐵三號線橫崗車輛段上蓋物業開發工程結構動力彈塑性時程分析報告.深圳.2010 2李承銘鋼一鋼筋混凝土桿系結構三維地震作用下彈塑性時程分析(博士學位論文)2007 3聶利英.李建中，范立礎彈塑性纖維梁柱單元及其單元參數分析J工程力學，2004(6) 注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。
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