采用Midas进行Pushover的方法

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,采用,Midas/Gen,进行结构,Pushover,分析的方法,2008.3.5,主要内容：,Pushover,的原理,采用,Midas,分析的步骤,工程实例,一、,Pushover,的原理,1,、定义,静力弹塑性分析（,Pushover,）方法是对结构在罕遇地震,作用下进行弹塑性变形分析的一种简化方法。,具体地说，就是在结构计算模型上施加按,某种规则分布的水平侧向力,，单调加载并逐级加大；一旦有构件开裂（或屈服）即修改其刚度（或使其退出工作），进而修改结构总刚度矩阵，进行下一步计算，依次循环直到结构达到预定的状态（成为机构、位移超限或达到目标位移），得到荷载位移曲线。,然后将多自由度体系的荷载位移曲线转换为以单自由度体系的加速度位移方式表现的能力谱。同时，将地震作用的响应谱转换为用相应方式表现的需求谱曲线。根据能力谱曲线与需求谱曲线求出结构的性能点。根据是否出现性能点及性能点处的各项参数，从而判断是否达到相应的抗震性能目标。,2,、应用条件,Pushover,分析的理论基础实际上是基于这样一个假定：结构的响应和一个等效单自由度体系相关，这就意味着结构响应仅由结构第一振型控制；结构沿高度的变形由形状向量,表示，在地震反应过程中，不管结构的变形大小，形状向量,保持不变。,对于结构是否适合采用,Pushover,分析需要首先考虑。一般来说，,Pushover,方法能够清晰的反应在地震作用下结构各方面的性能，但对于高阶振型影响较大的结构、不规则结构等情形下，实施静力弹塑性分析有待进一步研究。,3,、分析软件,Sap2000,、,ETABS,、,Midas,等均可进行分析。各软件计算方法大同小异，均是采用,ATC-40,和,FEMA-273,中提供的能力谱法进行,Pushover,分析。但软件采用的弹塑性分析模型稍有区别，只有,Midas,中提供了带塑性铰的墙单元。,以下是,Midas,中用于,Pushover,采用的各种单元：,墙单元,梁,(,柱,),单元,二、,采用,Midas,分析的步骤,1,、结构建模并完成弹性静力分析和构件设计,对于较大的工程，直接在,Midas/Gen,中建模比较繁琐，可以用接口转换程序从,SATWE(,或其他程序如,SAP2000),中导入。导入后还应该注意以下几个问题：,风荷载及反应谱荷载没有导入，需要在,Midas/Gen,中重新定义；,需要定义自重、质量；,需要定义层信息，以及墙编号；,此外，应注意比较,SATWE,的质量与,Midas/Gen,的质量，并比较两者计算的周期结果是否一致。,2,、输入,Pushover,分析控制用数据,荷载最大增幅次数用于定义达到设定的目标位移（或荷载）的分步数，一般来说，分步越多，每次的增幅越小，最终得到的能力谱曲线越平滑。但是分步过多带来计算时间上的大大增加，所以取值应该由少至多进行试算，直到取得满意的曲线结果为止。,图,10,分步，每步最大,10,次迭代结果,图,2 20,分步，每步最大,10,次迭代结果,3,、输入,Pushover,荷载工况,荷载控制,即每步增加的侧向荷载是相同的，直至达到最终设定预估倒塌荷载。,位移控制,即将设定的目标位移按步数均分，每步增加侧向荷载至满足该步的位移增量，每步的荷载增量不相同。,控制选项,一般控制,在每步计算中以结构某一节点的最大平动位移达到该步目标位移为控制条件。,主节点控制,主节点号的选择和主位移方向相关，设定主位移方向后，可取相应于侧向荷载模式的实际荷载条件下，求得的主位移方向上最大位移点的节点号。,最大平动位移,初始值可取结构高度与弹塑性层间位移角限值的乘积，当得到能力谱曲线后可根据得到的性能点处位移调整最大位移限值，只要能够使需求谱与能力谱曲线得到交点即可。,初始荷载,即竖向静力荷载，该荷载条件下的弹性内力结果将作,Pushover,的初应力来处理。,加速度常量,静力荷载,(,风荷载,),振型,1,荷载模式,Midas,中提供了三类侧向荷载模式，分别为加速度常量、静力荷载工况、模态,返回,4,、定义塑性铰及分配塑性铰,选用带有性能状态阶段划分的,FEMA,铰类型，位移结果中,可显示不同颜色区分铰的各个阶段，并可在图例中看到各阶,段的铰所占比例。,对梁分配弯矩铰，对柱和剪力墙分配轴力弯矩铰。剪,力墙除分配轴力,-,弯矩铰之外，还须指定剪切铰。,5,、分析结果,Pushover,曲线输出结果如下图所示,可以在,变形形状,菜单中查看结构在整个,Pushover,过程中的变形以及铰生成情况,：,在,MIDAS,中采用塑性铰状态来表示构件的性能。如图,所示铰状态分为下列阶段：,构件的性能评价,A,点：未加载状态。,AB,段：弹性阶段，具有初始刚度。,B,点：公称屈服强度状态。,BC,段：强度硬化阶段，刚度一般为初始刚度的,5-10%,，对相邻构件间的内力重分配有较大影响。,对,BC,段做了更细致的划分：,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：由公称强度开始，构件抵抗能力下降。,CD,段：构件的初始破坏状态，钢筋混凝土构件的主筋断裂或混凝土压碎状态，钢构件 抗剪能力急剧下降区段。,DE,段：残余抵抗状态，公称强度的,20%,左右。,E,点：最大变形能力位置，无法继续承受重力荷载的状态。,对构件层面而言，铰的状态与性能水准的对应如下：,构件完好、无损伤,：构件性能铰处于,AB,段，此时构件完全处于弹性阶段；,构件轻微损坏，出现轻微裂缝,：构件性能铰处于,BIO,阶段，此时构件刚进入塑性，塑性程度较浅；,构件中等损坏，出现明显裂缝,：构件性能铰处于,IOLS,阶段，此时构件已进入屈服阶段；,构件严重损坏，但不发生局部倒塌,：构件性能铰处于,LSCP,、,CPC,阶段，此时构件塑性承载力充分发挥，接近破坏。,三、工程实例,1,、,项目概况,单元为地上,56,层的高层建筑，平面呈,T,形，建筑物长度,(L)32.85 m,、最大宽度,(Bmax)19.50m,、高度,(H),为,179.60m,，平面在,128.35m,标高处沿长度方向收进后的长度（,L1,）为,27.25m,，高宽比,H/Bmax,为,9.21,。结构类型为钢筋混凝土全部落地剪力墙结构。总高度和高宽比均超过规范,B,级高度钢筋混凝土高层建筑结构的限值，为超,B,级高度钢筋混凝土高层建筑。属超限高层建筑工程，根据相关文件要求，须进行基于性能的抗震设计。,整体模型,标准层平面,局部楼层轴测图,2,、结构抗震性能设计,结构抗震性能目标确定为性能目标“,D”,，即满足小、中、大震各阶段下的性能水准。,性能设计时，先按现行规范进行小震阶段的结构设计，再通过,Pushover,分析校核中、大震性能水准。根据校核结果调整结构设计进行第二次设计。,3,、,Pushover,分析过程,水平推覆力分布采用模态分布、风荷载分布、常量加速,度分布三种形式，通过,Pushover,法建立结构的能力谱，由规,范反应谱变换为结构中、大震作用下的需求谱，找出结构性,能点。,根据性能点时的结构变形，对以下两个方面进行评价：,a,）层间位移角：是否满足抗震规范规定的弹塑性层间,位移角限值；,b,）结构变形：由结构塑性铰的分布，判定结构薄弱位,置。根据塑性铰所处的状态，检验结构构件是否满足大,震作用性能水准的要求。,Pushover,参数,1,）,Pushover,分析控制,荷载最大增幅次数,10,。,最大迭代,/,增幅步骤数,10,。,收敛值,0.001,。,2,）,Pushover,工况定义,本工程采用三种类型的荷载分布模式进行,Pushover,分析，即模态分布模式、风荷载分布模式、加速度常量分布模式。考虑到结构的非对称性，每种荷载分别按,X,、,Y,两个主方向加载，每个方向分别考虑正负不同情况。对上述共,12,个荷载工况进行了,Pushover,分析，得到各个工况的能力谱曲线。,名称,侧向荷载,模式类型,荷载,选择,荷载,乘数,控制,方式,控制,位移,（米）,主节点,主方向,是否使用,初始荷载,考虑,P-Delta,效应,模态,2,（正）,（,Push_M2+,）,模态,振型,2,1,位移,控制,0.5,该工况顶,层最大位,移点,DX,是,是,模态,2,（负）,（,Push_M2-,）,模态,振型,2,-1,位移,控制,-0.5,DX,模态,1,（正）,（,Push_M1+,）,模态,振型,1,1,位移,控制,0.5,DY,模态,1,（负）,（,Push_M1-,）,模态,振型,1,-1,位移,控制,-0.5,DY,风载（正）,X,向,(,Push_Wx,+),静力,荷载,风荷载,Wx,1,位移,控制,0.5,DX,风载（负）,-X,向,(,Push_Wx,-),静力,荷载,风荷载,Wx,-1,位移,控制,-0.5,DX,风载（正）,Y,向,(,Push_Wy,+),静力,荷载,风荷载,Wy,1,位移,控制,0.5,DY,风载（负）,-Y,向,(,Push_Wy,-),静力,荷载,风荷载,Wy,-1,位移,控制,-0.5,DY,加速度（正）,X,向,(,Push_Ax,+),加速度常量,方向,DX,1,位移,控制,0.5,DX,加速度（负）,-X,向,(,Push_Ax,-),加速度常量,方向,DX,-1,位移,控制,-0.5,DX,加速度（正）,Y,向,(,Push_Ay,+),加速度常量,方向,DY,1,位移,控制,0.5,DY,加速度（负）,-Y,向,(,Push_Ay,-),加速度常量,方向,DY,-1,位移,控制,-0.5,DY,3,）定义及分配铰特性值,分类,名称,铰功能,铰类型,分配位置,梁铰,LJ,弯矩,-,y,z,FEMA,梁端,I,，,J,墙铰,QJ,P-My-,Mz,FEMA,墙上下端,I,，,J,墙剪切铰,QVJ,V,FEMA,墙中部,4,）需求谱的设定,需求谱即不同设防阶段对应的地震作用反应谱，,6,度中震反应谱以,7,度半小震反应谱代替；,6,度大震反应谱以,8,度半小震反应谱代替。,6,度小震,6,度中震,6,度大震,max,0.04,0.11,0.23,max,替代值,0.12,0.24,Pushover,结果（部,分）,Pushover,结果特点：,1,）在中震与大震需求谱下均能得到性能点，性能点参数合理。,2,）,X,、,Y,两个主方向的能力谱曲线存在明显差异。,3,）三种侧向加载形式得到的性能点有较大差别。,4,）实际得到性能点时结构顶点位移均在,0.15,米左右。大震性能点处结构弹塑性层间位移均小于规范限值,1/120,，且底部各层（,110,层）层间位移小于,1/300,，满足性能目标设定要求。,5,）墙体塑性铰主要分布于较短的墙肢，或长短墙肢都出铰但短墙肢上铰的塑性程度较深，表明短墙肢为抗震薄弱部位，有必要加强构造。,6,）结构在第,40,层收进，导致此部位刚度突变。在中震作用下，加速度常量分布（,-X,向）加载时出现塑性铰，主要分布于收进部位上下楼层（,3341,层）局部墙肢，塑性铰的程度较浅（均在,B-IO,阶段）。表明此部位为抗震薄弱部位，须作构造加强。大震作用下，,X,向各工况出现一定数量的塑性铰，塑性程度较深的铰分布主要位于较短墙肢处；而,Y,方向大震作用下表现为弹性。,弹塑性分析结论：,1,）弹塑性分析结果满足结构抗震性能目标，其中结构竖向收进处；剪力墙连梁处及剪力墙小墙肢处，出铰较多，为结构较薄弱部位，应加强抗震构造措施。,2,）根据相应性能水准下的构件延性要求，以大震下达到性能水准,3,确定本工程所需满足延性为“高延性”，相当于一级抗震等级构造要求。因此结构抗震等级定为一级。其中在结构竖向收进处上下几层的抗震等级定为特一级。,