高层建筑动力弹塑性时程分析方法研究

【摘 要】近些年我国高层建筑发展较快，怎样分析高层建筑的抗震性能成为了重要问题，时程分析可以进一步判断一栋建筑物的抗震能力。本文介绍了动力弹塑性时程分析法的作用，指出了采用动力弹塑性时程分析法判断高层建筑的抗震性能目前还存在的问题，并对以上问题提出解决方法。

【关键词】动力弹塑性时程分析；高层建筑；罕遇地震

绪论

随着我国国民经济的飞速发展，复杂结构不断涌现，按照现行《建筑抗震设计规范》中规定的“三水准抗震设防，两阶段抗震设计”的设计标准，以及近几年提出的性能化设计的基本思路，对复杂的高层结构，尤其是超限审查的结构，需要进行弹塑性分析。

弹塑性分析的目的是计算薄弱层位移反应和变形能力，判断结构在罕遇地震作用下是否满足规范规定的层间位移角限值；判断结构的薄弱层和薄弱杆件所在位置，对结构构件进行加强，以实现“大震不倒”的设计思路。对于弹塑性分析，目前规范给出了三种计算方法：简化弹塑性分析法、静力弹塑性分析法、动力弹塑性分析法。其中动力弹塑性分析法能够更好地反应高层建筑在罕遇地震作用下的变形。

1 动力弹塑性时程分析方法的原理

将大震记录下来的某水平分量加速度-时间曲线划分为很小的时段，然后依次对各个时段通过振动方程进行直接积分，从而求出体系在各时刻的位移、速度和加速度，进而计算结构的内力。结构整体的刚度矩阵、阻尼矩阵和质量矩阵通过每个构件所赋予的单元和材料类型组装形成。动力弹塑性分析中对于材料需要考虑在往复循环加载下混凝土及钢材的滞回性能，混凝土从出现开裂直至完全压碎退出工作全过程中的刚度退化，混凝土拉压循环中强度恢复等大量非线性问题。

2 动力弹塑性时程分析方法的计算步骤

（1）建立结构的空间模型；

（2）选择使用于本场地的地震波。不同的地震波会对弹性动力时程分析的计算结果产生一定的影响，有时影响较大。因此合理的选波，往往成为采用这计算方法的关键。本文建议，首先通过弹性时程分析得到基底剪力，然后与振型分解反应谱法进行对比，筛选出合适的地震波进行弹塑性动力时程分析。

（3）确定混凝土、钢材两种材料的滞回本构关系，其中钢材的本构关系常采用双线性本构关系，混凝土常采用三线性本构关系。

（4） 定义计算过程各参数。

（5）计算完成后查看计算结果，找出结构的最大层间及有害层间位移角的数值，结构破坏情况，从而可以评估结构的抗震能力。

3 动力弹塑性时程分析方法的优点

（1）采用地震加速度时程曲线作为输入，进行结构罕遇地震作用下的分析，全面反应了结构在罕遇地震下的抗震性能，弥补振型分解反应谱法在长周期段影响估计不足产生的误差，以及反应谱法无法做到的结构非弹性地震反应分析。

（2）采用结构弹塑性全过程恢复力特性曲线来表征结构的力学性质，从而比较确切地、具体地和细致地给出结构的弹塑性地震反应。

（3）能给出结构中各构件和杆件出现塑性铰的时刻和顺序，从而可以判明结构的屈服机制。

（4）对于非等强结构，能找出结构的薄弱环节，并能计算出柔弱楼层的塑性变形集中效应。

（5）可以计算结构在非弹性阶段的地震反应，对结构进行大震作用下的变形验算，从而确定结构的薄弱层和薄弱部位，以便采取加强措施，有效提高结构的抗震能力。

4 动力弹塑性时程分析方法的缺点

（1）时程分析的最大缺点在于时程分析的结果与所选取的地震动输入有关，所以不同时称输入结果差异很大。

（2）时程分析法采用逐步积分的方法对动力方程进行直接积分，从而求得结构在地震过程中每一瞬时的位移、速度和加速度反应。所以此法的计算工作十分繁重，必须借助于计算机才能完成。而且大型复杂结构对计算机要求更高，耗时耗力，要在计算效率和计算结果的准确性之间寻求平衡，无可避免会产生一定误差。

（3）非线性方程求解复杂，尤其是当物理非线性问题与几何非线性问题相结合时，问题的求解有一定难度，计算结果会有一定误差。

（4）对工程技术人员素质要求较高。从结构模型建立，地震波选取、材料本构选取、到参数控制及庞大计算结果的整理及甄别都要求技术人员具有扎实的专业素质以及丰富的工程经验。

5 动力弹塑性时程分析方法计算结果的处理

首先要判断所选多条地震波的计算结果是否基本一致，从而确定所选地震波的合理性。第二要查看各条地震波计算的最大层间位移角能否满足规范的要求，这也是做弹塑性时程分析的主要目的。第三，在最大有害层间位移角曲线中找到结构的薄弱层，出现开裂、塑性铰的部位，帮助设计人员对这些部位采取加强措施，提高其抗拉和抗压承载力，从而改善结构的抗震性能。最后，结构最大层间位移角出现位置并不一定表示该层就是薄弱层，结构薄弱层的判断宜以结构最大有害位移角出现的位置为准。

6 结论

结构的动力弹塑性分析方法极其复杂，包括计算模型的简化、地震波的选取、恢复力模型的确定、以及计算结果的分析和后处理都需要投入大量的工作，而且数据量庞大，计算周期较长。但是他具有其他结构抗震分析方法无可比拟的优势。而且现代的建筑结构不断丰富变化，对建筑物的高度和跨度也相应不断增长，所以对于结构的计算分析手段也提出了越来越高的要求。基于这一现实要求，再加上计算机软硬件水平的不断提高，将动力弹塑性时程分析方法应用于工程实践中已经变为无法回避的现实，相信动力弹塑性分析方法必将在结构设计中得到更加广泛的应用。

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