静力弹塑性分析在ETABS程序中的应用参数设

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,*,*,华森设计,HSA,ETABS,中静力推覆分析的参数设置与工程应用实例,深圳华森建筑与工程设计顾问有限公司,郑竹,2009.5,Email:,julian.zheng,Mobile: 158 1851 3538,1,工程实例,(CCDI,作品,),2,工程实例,(Arup,作品,),3,提纲,静力推覆分析的适用范围之我见,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,操作实例,利用静力推覆作为弹塑性分析的工程应用实例简介,4,一句题外话,计算,分析,与判断,是工程师的一项至关重要的工作,许多分析计算工作具有不可重复性，因而需要熟练把握一些常用的计算工具如,Excel,、,Access,等，尤其在进行弹塑性分析中具备这些方面的能力能提供很好的灵活性,5,静力推覆分析的适用范围,什么情况下需要考虑使用静力推覆分析？,这种方法过时了吗？,6,静力推覆分析的适用范围,高度,?,7,静力推覆分析的适用范围,难度,?,8,静力推覆分析的适用范围,什么情况下需要考虑使用静力推覆分析？,一般认为：超,A,级高度建筑、或者特别不规则建筑、或者存在高位错层转换等明显薄弱部位的一般不规则建筑，均需要做弹塑性分析。,这种方法过时了吗？是否一使用动力弹塑性时程分析静力推覆分析就靠边站了呢？,否,9,静力推覆分析的适用范围,规范、标准：,仅仅是一种评估方法，但不可少,美国规范体系中有一套,FEMA,系列规范和报告，详细规定了建筑结构抗震性能评估的方法、标准等，其中规定较为详细的有,ATC40,、,FEMA356,、,FEMA273/274,等。,我国规范要求,GB50011,：,5.5,节；,JGJ3-2002 C4.6.44.6.5,一种设计思想,薄弱部位与薄弱构件、结构性能表现特点、地震能量耗散方法、地震设防措施与实现,10,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,1,）为什么需要设置推覆分析中的各种参数,（,2,）钢混凝土本构关系,（,3,）杆构件塑性铰定义中的参数,（,4,）剪力墙模拟,（,5,）推覆工况定义中的参数,（,6,）推覆结果中的参数设置,11,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,1,）为什么需要设置推覆分析中的各种参数,ETABS,中关于静力弹塑性推覆分析主要有以下三类参数需要设置：一、塑性铰；二、推覆分析参数；三、结果输出参数,只有深刻理解了上述三类参数各自代表的内涵，才能有针对性地对,ETABS,分析模型中相应的参数进行计算、调整和修正，也才能得到相对准确的分析模型和较为可靠的结果。,12,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述（,1,）为什么需要设置推覆分析中的各种参数,对,ETABS,中关于静力推覆分析相关参数设置主要出于如下原因：,一、程序默认参数为基于美国规范和美国的实际情况；,二、程序对构件设计计算的结果不能直接转化为推覆分析参数；,三、程序按照我国规范对构件设计计算的部分结果还不够准确，有一定差异，因此需要人工复核进行调整、修正后才能转化为推覆分析参数；,四、程序内嵌的一些计算假定与我国规范规定差异较大，比如其求解,P-MM,关系曲线时，采用的公式与我国规范采用的公式有很大不同,基于以上差异，需要对有关参数进行恰当设置，以下以实例说明上述差异的存在及影响。,13,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,2,）钢混凝土本构关系,ATC40,、,FEMA356,、,Perform 3D,手册关于结构、构件本构关系的描述,14,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,2,）钢混凝土本构关系,A.,我国规范相关规定,混凝土的本构关系（,-,关系） 钢筋的本构关系,15,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,2,）钢混凝土本构关系,A.,我国规范相关规定,钢材的本构关系（,-,关系）,16,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,3,）杆构件塑性铰定义中的参数,两种定义法：程序生成、用户自定义；,这里重点介绍用户自定义铰,两种铰：,P-MM,铰（包括纯,P,、,M,铰）,V,铰,17,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,计算塑性铰主要参数,截面极限承载力时，有三种不同方法：,一、,ETABS,程序默认生成，直接反映到塑性铰属性中,二、,ETABS,程序根据我国规范进行设计获得杆件截面的塑性铰主要参数，需要处理后反映到推覆分析模型中,三、根据我国规范编制有关电算表格得到杆件构件截面的塑性铰主要参数，也需要处理后反映到分析模型中,18,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,（,3,）杆构件塑性铰定义中的参数,PMM,铰的定义,ETABS,默认,右图为,ETABS,定义,P-MM,曲线图,（,ETABS,默认铰定义结果）,Nmax=28641,kN,Mmax=3054,kN.m,19,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,（,3,）杆构件塑性铰定义中的参数,PMM,铰的定义,ETABS,按规范设计的,PMM,关系曲线,20,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,（,3,）杆构件塑性铰定义中的参数,程序默认,P-MM,铰参数与设计值的差异 表：,ETABS,按我国规范设计的构件截面,P-MM,参数,800x800,，,1%,21,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,（,3,）杆构件塑性铰定义中的参数,P-MM,关系曲线图,（,ETABS,设计结果）,Nmax=16556,kN,Mmax=1931,kN.m,下图为按规范编制,P-MM,关系计算表格,22,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,（,3,）杆构件塑性铰定义中的参数,程序默认,P-MM,铰参数与设计值的差异 按我国规范,独立设计的构件截面,P-MM,参数,800x800,，,1%,Nmax=15379,kN,Mmax=1714,kN.m,右图按,GB50010-2002,由此能得到更加贴近我国实情的,P-MM,包络线,23,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,（,3,）杆构件塑性铰定义中的参数,程序默认,P-MM,铰参数与设计值的差异 按我国规范,独立设计的构件截面,P-MM,参数,800x800,，,1%,Nmax=15379,kN,Mmax=1714,kN.m,右图按,GB50010-2002,由此能得到更加贴近我国实情的,P-MM,包络线,因此按实算,P-M,输入为宜,24,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,（,3,）杆构件塑性铰定义中的参数,M,铰参数,300x500,，,C30,，,端部,=1.2%,（支座顶筋）；,端部,=0.52%,（支座底筋）,ETABS,默认铰结果：,Mpos=95.1,kN.m,Mneg=155.1,kN.m,ETABS,设计结果：,Mmax=268,kN.m,根据梁实配纵钢筋,按,GB50010-2002,计算结果：,Mpos=114,kN.m,；,Mneg=243,kN.m,；,因此在定义,M,铰时，应根据梁实配钢筋率确定,M,铰对应的,M,值。,如下图所示：,25,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,（,3,）杆构件塑性铰定义中的参数,M,铰参数,300x500,，,C30,，,1.2%,程序默认生成,修正后剪力,26,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,（,3,）杆构件塑性铰定义中的参数,V,铰参数,300x500,，,C30,，端部,0.56mm,2,/mm,。,ETABS,默认铰结果：,Vu=199.2,kN,ETABS,设计结果：,V=187.8,kN,（弹性荷载设计组合最大值）,根据梁实配纵钢筋,按,GB50010-2002,计算结果：,Vu=239.84,kN,因此在定义,V,铰时，应根据梁实配箍筋确定,V,铰对应的,Vu,值。,如下图所示：,27,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,（,3,）杆构件塑性铰定义中的参数,V,铰参数,300x500,，,C30,。,程序默认生成,修正后剪力,28,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,4,）剪力墙模拟,剪力墙模拟一直是静力弹塑性和动力弹塑性分析的一个关键问题和热点问题，其根本原因在于：,一、剪力墙的破坏形式有别于一般杆系构件，塑性铰的概念不能很好刻画剪力墙的屈服与破坏；,二、国际上，剪力墙尚无比较统一的破坏标准，目前普遍采用的剪力墙模拟方法包括壁式框架模型、纤维单元模型，无论哪一种模拟都有各自的优点或缺陷；,三、目前针对,RC,剪力墙的实验研究与理论研究均处于比较前沿的课题，尚需进行大量实验与研究；,四、我国尚缺乏比较系统的结构体系抗震评价标准,29,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,4,）剪力墙模拟,在,ETABS,中，推覆分析模型对剪力墙的模拟主要采用壁式框架模型，并近似用,P-MM,曲线模拟剪力墙屈服面以获得其塑性铰特性。示例如下：,30,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,4,）剪力墙模拟,在利用壁式框架模拟,剪力墙,时，值得注意的是模拟后的分析模型在主要结构特性指标上应与原弹性分析模型指标相一致，如周期、在侧向荷载工况下的层间角、总重量等指标应接近。,由于剪力墙简化为杆件，其刚度损失比较明显，需要通过较强水平构件进行补偿。这类水平构件实质是“镶嵌”在墙内的“刚臂,”,，把人为分裂开的剪力墙连接起来使其重新成为一个整体。,壁式框架的水平“内,嵌,”,构件不需要考虑塑性铰、不考虑重量。,31,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,4,）剪力墙模拟,在模拟剪力墙时主要考虑两种塑性铰：,P-MM,铰与,V,铰,通常情况下,P-MM,铰需要全局考虑，而,V,铰则可以仅在底部加强区、转换部位、剪力墙变截面部位等薄弱部位和剪力相对较大部位考虑。,P-MM,铰的计算与柱类似，但依据的规范条文有所不同。,V,铰参数的计算与梁类似，但计算截面剪力极限承载力时可适当考虑轴压的有利影响。,32,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,5,）推覆工况定义中的参数,推覆工况定义主要有三种参数需要设置,一、分析选项，包括推覆初始工况定义、终止推覆条件定义、最大推覆步数、迭代容差与事件容差等；二、构件卸载方法、几何非线性选项，这一步无特别需要修正的参数；三、加载模式,以上参数中比较复杂的是分析选项中的参数设置。也是整个推覆分析中至关重要的一环。往往需要设计师进行多轮试算、调整，才能得到较好的推覆结果。,推覆工况一般情况下需在重力荷载作用完毕之后才能开始进行，因此,推覆工况一般包含至少三种推覆力定义：重力、,X,向、,Y,向推覆,33,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,5,）推覆工况定义中的参数,右图：推覆工况参数定义窗口,下图：推覆工况定义窗口,34,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,5,）推覆工况定义中的参数,右图：侧推力定义窗口,ETABS,提供了三种推覆力模式：,一、按楼层重力模式,二、按模态形状模式,三、按均匀加速加载模式,原则上一般选第三种,35,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,6,）推覆结果中的参数设置,静力推覆分析结果的显示主要有两方面：,一、推覆曲线,二、结果输出,需要调整输出参数的为第一项,36,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,6,）推覆结果中的参数设置,37,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,6,）推覆结果中的参数设置,推覆分析结果中的参数设置主要是对需求谱参数,Ca,、,Cv,的设置，该两个参数直接界定了结构性能所需要满足的范围，即直接影响到性能点的确定。因此十分重要。,以下公式说明了,Ca,、,Cv,参数的近似计算方法。,38,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,6,）推覆结果中的参数设置,注：,1.,公式中的,Alpha_max,除了参照规范提供的值外，也可根据地震安全性评价报告提供的值；,2.,当,Gama,不等于,1,时，,Cv,值与结构第一自振周期有关。,39,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,6,）推覆结果中的参数设置，精确,计算结果如下,式及表所示：,（,不近似取,1,）,40,ETABS,中推覆分析的参数及其设置方法,静力推覆分析中的主要参数概述,（,6,）推覆结果中的参数设置,结果参数设置好后，即可得到需求谱与能力谱关系曲线，同时确定性能点。在上述界面中还可以确定各推覆步骤出现的塑性铰个数、类型等信息总结。,需要注意的是，,弹塑性层间位移角等,信息需在输出结果,中整理得到。,41,操作实例,实例条件,现有一,8,层,29m,高办公楼，为丙类建筑，在,7,度,0.10g,地区，,II,类场，设计地震分组为一组。,结构体系拟采用钢筋混凝土框架体系，结构平面布置如图,5,所示，主要构件编号与材料如下表所示。混凝土柱为,C50,，梁、板,C30.,由于底层大空间需要层高为,6m,，中部,5F,6F,层间层高为特殊交易层取,5m,初步分析上述两层可能为相对薄弱层，为此确定对结构作静力弹塑性推覆分析进行补充计算以检查结构在大震下的弹塑性层间位移角是否满足规范要求，同时揭示结构能力与需求的关系,42,操作实例,实例条件,43,操作实例,三维,分析模型,44,操作实例,主要塑性铰修正参数如下：,P-MM,铰,800x800C50,柱：按设计配筋率，,P-MM,铰对应的,N=16556kN,，,M=1931kN.m;,600x600C50,柱：按设计配筋率，,P-MM,铰对应的,N=9313kN,，,M=806kN.m;,M,铰、,V,铰,250x500,梁：,按设计配筋率，,Mtop,=243.04,Mbot=113.86; V=214.56,250x500,梁：按设计配筋率，,Mtop,=202.54,Mbot=93.15; V=239.84,45,操作实例,主要结果如下：,塑性铰,弹塑性层间位移角,结论：,结构能满足大震不倒的抗震设防性能目标。,46,工程应用实例简介,卓越世纪中心,申明：本项目为,CCDI,作品，因彼时参与了推覆分析的全过程，在此对当时给予极大支持配合的原同事表示感谢！,项目概况：,卓越世纪中心项目位于深圳市福田区益田路与金田路之间，紧邻金田路。总建筑用地,30667.7 m2,，总建筑面积,424008m2,。,项目主要由四座塔楼及裙房地下室组成。,1,、,2,、,4,号塔楼为超高层建筑，,3,号楼为高层建筑。其中：,1,号塔楼建筑面积为,108937,（不含避难层）,m2,，主要功能为办公写字楼，建筑主体高度为,250,米，核心筒部分及屋顶钢架高度升至,280m,。地上部分,65,层（包括,5,层夹层），主体平面为矩形。,2,号塔楼建筑面积,90000,（不含避难层）,m2,，主要包括办公、酒店和酒店式公寓，建筑物主体高度,238m,，核心筒部分及屋顶钢架高度升至,260m,。地上部分,60,层,(,包括,3,层夹层,),，主体平面为矩形。,4,号塔楼建筑面积为,51463(,不含避难层,)m2,，建筑主体高度为,165.5m,，屋顶钢架高度升至,185.5m,。地上部分,42,层,(,包括,2,层夹层,),，地面四层为商业，以上为办公写字楼，主体平面为矩形。,47,工程应用实例简介,卓越世纪中心,下图为,1,、,4#,塔楼典型层平面：,48,工程应用实例简介,卓越世纪中心,建筑结构布,置和选型、,超限类型,：,1#,塔楼,49,工程应用实例简介,卓越世纪中心,建筑结构布,置和选型、,超限类型,：,4#,塔楼,50,工程应用实例简介,卓越世纪中心,针对超限内容的主要对策：,（,1,）控制结构主要指标尽量在规范规定范围内,（,2,）针对结构抗震薄弱部位进行针对性加强,（,3,）分别对超限塔楼进行了中震不屈服分析与设计,（,4,）对超限塔楼,1#,、,4#,进行了静力弹塑性推覆分析（本次介绍重点）,（,5,）针对超限塔楼进行了构造加强,由于本次内容主要为关于推覆分析的应用，因此其他内容不作详细介绍,51,工程应用实例简介,卓越世纪中心,1#,楼模型主要信息：,52,工程应用实例简介,卓越世纪中心,4#,楼模型主要信息：,53,工程应用实例简介,卓越世纪中心,1#,楼弹性模型与弹塑性分析模型的主要指标比对：,54,工程应用实例简介,卓越世纪中心,1#,楼弹性模型与弹塑性分析模型的主要指标比对：,55,工程应用实例简介,卓越世纪中心,1#,楼弹性模型与弹塑性分析模型的主要指标比对：,结论：,通过上述对比显示，用于静力弹塑性推覆分析的,ETABS,模型和弹性分析模型结构性能吻合的非常好，可以用于静力弹塑性分析。,4#,塔楼情况类似,56,工程应用实例简介,卓越世纪中心,1#,塔楼主要结果：,需求,-,能力谱关系曲线,57,工程应用实例简介,卓越世纪中心,1#,塔楼,主要结果：,弹塑性层间位移角,58,工程应用实例简介,卓越世纪中心,塑性铰：,59,工程应用实例简介,卓越世纪中心,1#,塔楼推覆分析结论：,（,1,）现结构方案完全满足规范要求的“小震弹性、中震可修、大震不倒”的抗震设防性能目标。,（,2,）,1#,楼现方案同时也满足本报告设定的小震弹性、中震中允许部分次要水平构件出现塑性、大震下允许部分连梁和框架梁出现较多塑性铰但不出现危及生命安全的严重变形的抗震设防性能目标。,（,3,）塑性铰主要发生在连梁、部分框架梁局部位置，且主要分布于建筑物的中下部，这在一定程度上与中震分析的结果是吻合的，即中震分析时构件界面利用率最大的部位在推覆分析中将首先出现屈服，且随着推覆的进展部分塑性铰的发展也与中震结果中构件界面利用率具有一定的相关性。,（,4,）从结果文件看，竖向构件中框架柱未出现塑性铰、剪力墙在大震下未出现塑性铰，说明竖向构件具有良好的抗震性能。,（,5,）通过结构在大震下的变形和塑性铰出现位置和发展状态，可以确定现设计是安全的、抗震构造措施是适当的，同时局部位置塑性铰发展较为严重的构件需要改善其延性性能和配筋等以调节其抗震变形能力，尽量将其变形控制在生命安全范围以内。,60,工程应用实例简介,卓越世纪中心,4#,塔楼主要结果：,需求,-,能力谱关系曲线,61,工程应用实例简介,卓越世纪中心,4#,塔楼主要结果：,弹塑性层间位移角,62,工程应用实例简介,卓越世纪中心,塑性铰：,63,工程应用实例简介,卓越世纪中心,4#,塔楼推覆分析结论：,同,1#,塔楼类似，不再列,通过上述分析，卓越世纪中心塔楼超限设计得到了专家组的一致认可与肯定，一次性的通过了抗震设计专项审查论证。,如今在深圳福田中心区，这几座塔楼已经陆续封顶，即将成为深圳又一商务、办公、商业综合发展的重要一站。,64,工程应用实例简介,广州西塔,西塔也用了静力推覆分析吗？,这个，确实。,虽然当年设计时主要考虑了动力弹塑性分析作为超限设计的重要一环，但设计团队仍然在分析中考虑了静力弹塑性推覆分析。,分析工具采用了,Arup,公司的软件,Dyna,。,65,三十一,层,L31,= 64.25m,首,层,Ground,=62.29m,六十七层,L,67,=60.42m,LEVEL 31; +135.0M,(,最大楼面面积办公室层,MAX OFFICE FLOOR),LEVEL 67; +297.0M,(,最小楼面面积办公室层,MIN OFFICE FLOOR),LEVEL 00; +0.0M,(,地面,GROUND FLOOR),整个塔楼外形呈现光滑的纺锤状。楼面呈圆角三角形平面。,楼面宽度由地面之62.29米到三十一层之64.25米，再降到六十七层之60.42米，由六十七层至顶层楼面逐步缩少。,西塔弹性分析模型：（,1,）几何模型,66,工程应用实例简介,广州西塔,西塔静力推覆分析主要结果：,弹塑性层间位移角：,67,工程应用实例简介,广州西塔,西塔静力推覆分析主要结果：,性能点：,震下：第一振型方向：,屋顶位移 基底剪力,2.15 m,302.9 MN,第二振型方向：,屋顶位移 基底剪力,2.14 m,287.6 MN,68,工程应用实例简介,广州西塔,西塔静力推覆分析主要结果：,塑性铰发展过程：,69,工程应用实例简介,广州西塔,西塔静力推覆分析主要结果：,结论：,通过静力推覆分析可以看出，结构整体冗余度较高，在推覆过程中其弹塑性层间位移角小于设定限值,1/100,、性能点对应的底部总剪力小于大震时程分析结果（约,325MN,）。,这些都表明结构是安全的，能满足大震不倒的抗震设计要求。,70,工程应用实例简介,其他项目,其他采用推覆分析作为超限设计的项目还有深圳腾讯,QQ,大厦、深圳京基金融中心、珠海恒隆等等。,这些项目的总体特点是结构高度超限（少数结构为高位转换），但布局和结构形式相对比较规整，除了高度一项超限外，其他主要性能指标均能控制在规范限制范围内。因此在和专家组沟通后，均得到可以仅做静力弹塑性推覆分析即可用于超限设计的意见。节省了时间和资源，同时也为结构性能评估提供了一定参考。,注：以下项目的推覆分析采用了,Midas,软件。,71,工程应用实例简介,其他项目,深圳京基中心项目,C,座,：,C,座高,100m,，分,a,、,b,、,c,三个单元，建筑层数为,32,层。转换层设在六层板面（部分主楼下另带两个夹层车库，实际底部大空间层数为七层）。 其上部独立，在转换层以下连为一体。,C,座超限情况为高位转换，经专家评议需做弹塑性分析对结构抗震性能进行评估。,72,工程应用实例简介,其他项目,深圳京基中心项目,C,座：,X,向塑性铰,Y,向塑性铰,73,工程应用实例简介,其他项目,深圳京基中心项目,C,座,：,本项目由,AC,单元,42,层及局部,4,层商业组成，均有,2,层地下室建筑，总高度,143.40 m,。,结构上部采用部分框支剪力墙结构，底部,4,层裙房连在一起，在五层转换（建筑平面六层），为超,B,级高度建筑。,74,工程应用实例简介,其他项目,深圳京基中心项目,C,座：,X,向塑性铰,Y,向塑性铰,75,工程应用实例简介,其他项目,腾讯,QQ,大厦（,CCDI,作品）：,X,向塑性铰,Y,向塑性铰,76,谢 谢,77,