基于大震弹塑性时程分析的复杂多高层钢结构抗震设计

论文总字数：23597字

摘 要

关键词：罕遇地震；复杂钢结构；动力弹塑性；时程分析；

Seismic Design of Complex Multi-layer Steel Structures Based on Elastic-plastic Time History Analysis Under Strong Earthquake

Abstracts：Complex large span steel structure is widely used in stadiums, exhibitons centers and other public buildings. Its height and span are becoming more and more large and the importance level of the structure is higher. Once destroyed, it will caused serious danger to people’s lives and property. However, the research of seismic performance of this kind of structure is little and the specification of this kind of structure seismic design provisions is insufficient. Therefore, it is necessary to perform further research on the seismic behavior of complex multi-layer steel structures. This paper takes the Nanjing Youth Olympic Conference Center as the object of study, and uses finite element analysis software to establish the three-dimensional nonlinear analysis model. Considering elastic floor and weakening elastic floor, calculate dynamic elastic-plastic time history analysis on the structure. From the analysis results of the inter story displacement, the displacement between the layers and the shear weight ratio, the seismic performance of the structure meets the requirements of the code. Under the rare earthquake, some members of the structure have plastic development and degradation of strength, but the plastic hinges are in a low level and the strength degradation is small. The structure has sufficient capacity to maintain the overall stability and satisfy the seismic fortification goal of ‘No Collapsing in the Strong Earthquake’. In addition, this paper also studies the influences of seismic wave dimension to the time history analysis. For complex and irregular structures, the analysis results of time history vary under two-dimension and three-dimension wave input, there are in-plane couplings.

Key words: rare earthquake; complex steel structure; dynamic elastic-plastic; time history analysis

目 录

摘要 I

Abstracts I

第一章 绪 论 1

1.1引言 1

1.2结构弹塑性时程分析方法的研究现状 2

1.3抗震分析的常用方法 3

1.3.1底部剪力法 3

1.3.2反应谱法 4

1.3.3静力推覆（pushover）法 4

1.3.4动力弹塑性（时程）分析法 5

1.3.5随机振动法 6

1.4本文的主要研究内容 6

第二章 动力弹塑性时程分析的有关理论 7

2.1 动力弹塑性时程分析的运动方程的建立和求解 7

2.2 弹塑性本构模型 9

2.3地震波 10

2.3.1地震波的选择 10

2.3.2地震波的调整 12

第三章 南京青奥中心地震反应分析 14

3.1工程概述 14

3.2模型建立及结构构件模拟 14

3.2.1建立三维非线性分析模型 14

3.2.2 各类型构件的塑性铰类型 16

3.2.3 地震波加速度幅值调整 16

3.3结构整体抗震性能评价 16

3.3.1结构顶层位移、速度、加速度时程曲线 16

3.3.2层间位移和层间位移角 18

3.3.3层剪力和剪重比 19

3.3.4结构构件的塑性发展 20

3.3.5结构整体塑性发展过程 22

3.4考虑弱化弹性楼板的抗震分析 23

3.5 地震输入维数对结构响应的影响 24

第四章 结论与展望 25

4.1 结论 25

4.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 27

第一章 绪 论

1.1引言

多层、高层建筑体系的发展大致可分为三个阶段：十九世纪八十年代至二十世纪三十年代的第一阶段中，建筑材料以传统的木材砖石为主；之后至二十世纪八十年代的第二阶段中，钢筋混凝土结构较为普遍；二十世纪九十年代至二十一世纪初的第三阶段，多高层发展为钢筋砼、钢结构以及钢—混凝土混合结构全面使用。

钢结构以其材料强度高，自身重量轻，韧性、塑性好，材质均匀，结构可靠度高，施工速度快近来备受青睐。钢结构主要用于重型工业厂房和大跨度屋盖，20世纪80年代以前，在我国，钢结构还很少运用于民用建筑及高层建筑，其根本原因在于当时我国钢铁行业不发达，大规格型钢产量低，并且规格不全，刚结构的造价比钢筋混凝土结构的造价高得多。然而，随着建筑结构的层数不断增加，使用钢筋混凝土会使得结构的自重过大，底层需要大量大直径混凝土柱支撑，导致高层、超高层混凝土结构的造价迅速增加。而我国钢材技术的日趋发展和完善，使得钢结构的造价大幅降低，这样一来，高层建筑中混凝土结构和钢结构的造价差距越来越小。

钢框架筒体结构是一种常见的钢结构形式，多用于大跨度公共建筑、以及一些对建筑外形和建筑功能有特殊要求的建筑物中，如体育场馆、火车站、音乐厅、展览馆等，并且在多层、高层中有了越来越广泛的应用。

随着我国经济的高速发展，全国各地都建成了属于自己的地标性建筑，如苏州东方之门、上海环球金融中心、南京青奥中心等等。高层建筑已经不仅仅是城市标示、城市文化象征的一部分，也是将来建筑发展的主要方向，它标志着城市建筑逐渐从平面向空间发展。同时，这也意味着建筑设计由规范式统一化要求转为更为严格的个性化针对设计。此类建筑造型优美，平面、立面特别复杂，超出了现有规范设计方法的适用条件， 即为超限工程。

地震是长久以来的一大自然灾害，一旦发生地震，将给该地区带来巨大的生命和财产损失，因此，各国研究人员研究地震的作用机理，也在不断更新抗震设计规范，使结构可以在地震下不发生严重破坏。科学理论、工程技术的进步和人类对地震越发深入的研究，使地震工程的理论和实践都有了极大的进步。然而，全球近期的地震仍然造成了巨大的生命财产损失，如2008年中国汶川8.0级地震，2015年尼泊尔博克拉8.1级地震。而且，城市现代化进程不断加快，城市中高楼林立，这些建筑的造价都相当高昂；另外一些古建筑也可能在地震中损坏，所以对新建建筑抗震设计和对已存建筑的加固是很重要的。但因为地震问题的复杂性，人类现阶段还不能对未来将会发生的地震做出准确的预测，如何有效的对结构进行抗震设计仍然是当下建筑设计的主要问题。

超限工程对建筑抗震设计带来了新的难题和挑战，由于不能直接按照抗震设计规范对建筑进行抗震设计，对于不满足规范使用的超限工程，为了达到抗震规范规定的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防目标，就需要对超限工程做专门的分析论证。遗憾的是，目前还没有统一的方法解决超限工程的抗震设计问题，多数情况下还得需要靠工程师和专家的结构概念和经验来把握，至于其可靠性，限制于技术水平，还很难定量描述。

结构的地震响应分析是抗震设计中最基础的一部分，在对结构进行罕遇地震的抗震设计时，如果只按照弹性分析方法，不考虑构件屈服，这样既不合理也不经济。因此，在设计中进行结构弹塑性时程分析来得到结构在地震作用下全过程的响应，以及结构构件的塑性发展情况，便于设计者发现结构的薄弱楼层和构件。

另外，随着基于性能的抗震设计方法的提出，建筑抗震设计逐渐由整体“小震不坏，中震可修，大震不倒”定性的设防目标转向结构构件“小震弹性、中震弹性、中震不屈服、大震不屈服、大震可屈服”的性能水准。在地震作用下，“大震不倒”有时已经不能满足人们的需求，这是因为即使建筑物在罕遇地震的作用下没有倒塌，没有造成直接财产和生命损失，但建筑物内的仪器设备有可能已经受到了严重的损坏，这些设备损坏带来的经济损失有时会高于建筑物倒塌的经济损失。因此，在抗震设计中，不光要考虑结构整体抗震性能，对结构构件的性能评估也很重要。

1.2结构弹塑性时程分析方法的研究现状

国内外对结构的抗震设计的发展趋势可以概括为由静力分析到动力分析，由弹性分析到弹塑性分析，由线性分析到非线性分析，分析方法的理论越来越完善，精度越来越高。我国自1997年开始规定对超限工程进行弹塑性抗震设计，在随后各版本的结构抗震设计规范中也提升了结构弹塑性分析的重要性。因此，近年来国内许多学者都投入到结构静力、动力弹塑性研究中。

规范中要求的结构弹塑性分析方法一般有两种：静力弹塑性分析方法（pushover）和动力弹塑性时程分析法。一般常用的Pushover方法只能针对低阶振型（第一、二阶振型），对高阶振型的处理稍显不足，所以此方法不适合自振周期较长的结构^[1]。在国内外学者的研究之后提出了一些改进方法，如模态Pushover分析法^[2]、适应谱Pushover分析法^[3]、上限Pushover分析法^[4]等。其中，模态Pushover分析法因为考虑了多阶振型而具有较高的精度。为了提升模态Pushover分析方法在我国的适用性，辛力等^[5]根据能力谱法的原理提出，可以先由结构的能力曲线得到结构的能力谱，再根据规范地震反应谱得到需求谱，将能力谱与需求谱画于同一坐标系上，得到的交点即为性能点，根据性能点对应的位移就是结构在地震作用下的位移需求，由此可以评估结构的抗震性能是否满足要求。动力弹塑性时程分析方法是将地面加速度直接输入结构进行弹塑性分析，得到结构的位移、速度、加速度时程曲线。弹塑性动力时程分析方法按实现方式,可以分为两大类：

1）微观模型法

微观模型法对混凝土单元和钢筋单元分开建模，再整体计算结构在地震作用下的动力弹塑性响应，其模型的建立可通过ABAQUS、ANSYS等通用有限元软件实现。

2）宏观有限元模型法

宏观有限元模型法以构件为最小单元，包括梁、柱、墙、楼板等。对每个构件定义不同的力学性能，再将构件按一定的连接方式组合成整体分析模型，使用有限元软件分析结构整体动力响应。本文使用的基于集中铰模型的杆系有限元法就是一种常用的宏观有限元模型法，此法通过定义构件材料的强化模型和塑性铰特性，然后根据不同构件类型分配不同的塑性铰来模拟结构的弹塑性状态，结构的刚度按照强化模型的滞回曲线进行修正。这种模拟结构塑性发展的方法较为简便，但是分配的塑性铰长度、位置以及数量等都没有明确的规范，需要靠工程师的经验判断。

近年来，国内外诸多学者致力于研究复杂不规则结构在地震作用下的扭转效应^[6-8]，而郭健等^[9]在对某实际超限高层工程进行动力弹塑性分析时，重点进行了弹塑性抗扭转的研究。吴素静^[10]对超高层结构分别进行了静力弹塑性pushover分析和动力弹塑性时程分析，得到超高层结构各层的层间位移角和层剪力，结果满足结构安全度的要求，并且发现结构中梁出现了弯曲塑性铰，结构体系以弯曲破坏的延性破坏为主，避免了剪切破坏的脆性破坏，很好的遵循了“强柱弱梁”的设计原则。韦峰^[11]通过对不同结构形式建筑的非线性分析研究，对钢筋混凝土框架和框架－剪力墙结构的非线性地震反应状态识别指标提出了建议。王蕊^[12]对大跨度空间结构（北京老山自行车馆和北戴河火车站站台雨棚）进行了弹塑性时程分析，发现虽然在罕遇地震下结构有些构件会进入出现塑性铰，但同时也增加了结构的阻尼，塑性铰的出现并不会对结构的地震位移响应产生太大的影响；但值得注意的是，在考虑杆件屈曲时，压杆的屈曲可能将引起结构的失效从而破坏，使得结构的地震承载能力降低。杨溥等^[13]对比研究了动力弹塑性时程分析时，地震波的选取和各项分析控制参数对分析结果的影响，对地震波的选取的控制参数的设定提出建议。关俊伟^[14]以单层门式钢架轻型房屋钢结构为研究对象，使用有限元分析软件ANSYS对结构进行了地震弹塑性时程分析，并且将数值模拟结果与振动台试验结果比对以验证软件分析结果的准确性。王伟^[15]研究了反应谱法（CQC）和时程分析法在高层抗震分析中的差异，他的结论是，当时程分析法选用的地震波条数较少时，时程分析结果与反应谱法得到的结果有较大差距，当选取的地震波足够多且选取合理时，并且结构的自振周期小于4.5s时，时程分析法和反应谱法所得的结果符合的很好，选取地震波时，应该考虑地震波的频谱特性。秦素娟^[16]以钢—混凝土混合结构为研究对象，提出在混合结构的抗震分析中，只根据结构的位移这一单一指标进行结构抗震性能分析是不够全面的，应该在增加结构的耗能反应分析来对结构的抗震性能做出评估。一些工程人员，如严仕基等^[17]，根据各自参与的实际工程，对超限高层弹塑性分析时的控制指标选择和参数设置提出了很多建议和参考。N.T.K. Lam^[18]做了无筋砌体墙平面外挠曲的时程分析，他建立了一种单自由度分析模型，并且开发了自修正的迭代计算程序，使得时程分析的结果更加精确，并且认为对于墙的极限性能，位移是比加速度更好的性能指标。王旭^[19]研究了地震波输入维数对钢框架动力弹塑性时程分析的影响，对于规则对称的高层钢框架结构，一个方向的地震波对结构在与之垂直的两个方向产生的位移很小，几乎可以忽略，不存在平面内的耦合作用。竖向地震波会引起柱轴力的增加，但对结构水平位移响应的影响不大。焦柯等^[20]对国内外常用的有限元分析软件在结构弹塑性分析中的计算效果进行了对比，选取了ABAQUS、ETABS、EPDA、MIDAS、GSNAP等软件，主要研究了塑性铰和纤维束两种不同的模型在模拟梁柱构件上的性能差异，结果发现，各软件计算的结构承载能力存在较大差异。

1.3抗震分析的常用方法

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