高层建筑工程结构.doc

研 究 生 课 程 论 文
(-第二学期)

框架剪力墙构造弹塑性时程分析
研究生：叶嘉彬
提交日期： 9月4日 研究生签名：
学 号

学 院
土木与交通学院
课程编号
B0814007
课程名称
高层建筑构造
学位类别
博士
任课教师
韩小雷
教师评语：

成绩评估： 分 任课教师签名： 年 月 日

框架剪力墙构造弹塑性时程分析
叶嘉彬 10101099 16级土交博士班
摘要：本文对高层建筑弹塑性时程分析进行了简介,涉及其理论、优缺陷和基本办法，并采用通用有限元软件ABAQUS对一简朴框架剪力墙构造进行计算，进行模态分析和时程分析。
核心词：框架剪力墙构造 ABAQUS 弹塑性时程分析
1. 前言
随着人们加深了对弹塑性分析结识，和计算机硬件和软件技术飞速发
展，为动力弹塑性分析迎来了更加大发展时机。当前国内诸多高校和某些大
设计院以及某些专业征询公司都在大力开展动力弹塑性分析研究工作。
高校研究偏重于理论，设计院和专业征询公司则更注重于办法实用性研究，
从生产需求开始，真正致力于一项专项应用技术开发。
二十世纪到21世纪近年来，各国研究人员始终在发展弹塑性分析电脑软件。DRAIN-2D 在国外是较先发展平面弹塑性分析程序，而DRAI-3D、IDAR都是基于DRAIN -2D 上开发而来，她们可以进行静力弹塑性分析、动力弹塑性分析，但功能较少，在恢复力模型方面比较粗线条，不能全面反映混凝土滞回性能。科研人员发展CANNY程序，对框架梁柱节点梁、柱塑性铰模型模仿两端弹簧等效梁单元，对剪力墙模仿多弹簧模型，混凝土楼板模仿刚性板单元，弹塑性振动分析，程序静态分析、动态分析，动力时程响应等。
ETABS-SAP电脑分析软件运用塑性铰模型来模仿框架梁柱和剪力墙进行静力弹塑性分析，还提供了成果分析功能和动力弹塑性计算分析能力。而通用有限元分析软件ABAQUS，则具备在循环荷载作用下混凝土模型模仿和混凝土损伤模型更好性能，合用于基于动态弹塑性有限元分析软件平台上复杂构造分析。而在国内，清华大学研发了地震弹塑性反映分析软件NTAMS，运用塑性铰模型来模仿梁屈曲形态，剪力墙构造则可以考虑采用与剪切屈服多弹簧模型仿真框架来模仿，完毕了静态和动态高层建筑弹塑性分析。中华人民共和国建筑科学研究院工程部研究EPDA弹塑性动力响应分析软件，开发出运用纤维模型模仿钢和钢筋混凝土梁柱节点，剪力墙运用弹塑性壳单元来模仿，进行高层构造静力和动力弹塑性计算。
2.国内外高层建筑弹塑性分析研究现状与将来发展
国内拥有长达4000余年持续地震活动记录历史，这是全世界所罕见。中华民族漫长历史进程中，面对地震威胁，曾经有过诸多余色构造抗震实践。进入20世纪后来，随着近代科学逐渐引入，特别是新中华人民共和国成立后60近年来持续稳定和平建设，为国内抗震工程发展提供了重要条件。这60年来，先后颁布了59、64、74/78、89、及等6版抗震设计规范，对减少地震损失，保障人民生命财产安全，起到了极大推动作用。
国内抗震规范发展不断吸取国内外有关学科最新进展，特别是“89版抗震规范”明确提出了3水准设防（小震不坏，中震可修，大震不倒），“办抗震规范”进一步吸纳了弹塑性静力推覆分析（Pushover），隔震、消能减震等抗震技术，“抗震规范”5.5.2条规定，对于8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时，高大单层钢筋混凝土柱厂房横向排架、7～9度时楼层屈服强度系数不大于0.5钢筋混凝土框架构造和框排架构造、高度不不大于150m构造、甲类建筑和9度时乙类建筑中钢筋混凝土构造和钢构造、采用隔震和消能减震设计构造应进行弹塑性变形验算；对于7度三、四类场地和8度乙类建筑中钢筋混凝土构造和钢构造、板柱-抗震墙和底部框架砌体房屋、高度不不不大于150m高层钢构造、不规则地下建筑构造及地下空间综合体宜进行弹塑性变形验算。《高层建筑混凝土构造技术规程》5.1.13条也规定，对于B级高度高层建筑构造和复杂高层建筑构造，如带转换层、加强层及错层、连体、多塔构造等，宜采用弹塑性静力或动力分析办法验算薄弱层弹塑性变形。所有这些都体现出了当前国际上得到极大关注基于性能抗震设计思想某些核心内容。固然，不可否认，由于诸多因素，国内当前抗震工程实践尚有着诸多局限性，这需要全体构造抗震工作者长期和艰难努力。随着计算机性能不断提高，以及计算力学发展，非线性分析软硬件工具已经变得日益成熟。特别是纤维模型，分层壳模型等微观精细化模型实用化后，以当前计算工具和手段，对于普通构造弹塑性分析，已经完全可以满足工程关于需求。但是由于各方面因素，工程人员还不熟悉，或者不乐意采用弹塑性计算。尽管如此，构造弹塑性分析已经是大势所趋，近年来发生过强地震国家和地区，如美国、日本和台湾地区，构造弹塑性地震响应分析已经得到普遍应用。而国内在汶川地震后，性能化抗震设计需求得到极大推动，因而对构造抗震弹塑性分析规定势必会越来越高。
当代弹塑性分析虽然获得很大进展，但是尚有诸多核心问题尚未得到较好解决，这也是此后构造弹塑性分析科研和工程实践发展方向，这些问题涉及建模平台问题、崩塌模仿问题、微观破坏问题、随机性与概率问题等。
3.弹塑性时程分析基本原理及办法
动力弹塑性时程分析是将构造作为弹塑性振动体系直接将地震波数据输入，通过积分运算求得在地面加速度随时间变化期间内，构造内力和变形随时间变化全过程，该办法也称为弹塑性直接动力法。由于计算中输入是地震波整个过程，因而该办法可以反映出各个时刻地震作用引起构造响应，涉及构造变形、应力、损伤形态（开裂和破坏）等。总之，静力弹塑性分析普通只能对构造进行定性分析，而动力分析不但能对构造进行定性分析，同步又可以给出构造在大震下量化性能指标。
动力弹塑性分析办法对构造简化假定较少，分析精度高，是计算构造在地震作用下弹塑性变形较精确办法。但由于地震输入自身不拟定性；构造弹塑性分析建模复杂性、数据先后解决繁琐和计算代价偏高；对计算人员规定其具备有限元、材料本构关系、损伤模型等有关理论知识，因而该办法在实际中广泛应用尚有一定困难。但随着理论研究不断发展，计算机软硬件水平不断提高，该办法已经开始应用于少数超高层和复杂大型构造分析中。
3.1基本原理
构造分析重要目的是获取构造位移场、应变场及应力场，三者之间具备密切关系，故咱们仅需获得构造位移场即可。通过离散化办法，按粘性阻尼理论，可将构造弹塑性动力学方程表达如下：

式中：为节点位移向量，构造持续体位移场可通过节点位移向量求得。
为质量矩阵，为阻尼矩阵，为刚度矩阵，为外力向量函数，t为时间变量，地震作用时，，其中为地面运动加速度,即地震波。将强震记录下来某水平分量加速度一时间曲线划分为很小时段，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位移、速度和加速度，进而计算构造内力，这个就是弹塑性时程分析基本原理[1]。
由于在外力作用下，构造也许具备几何非线性与本构非线性（弹塑性本构是非线性本构中一种），构造形态、刚度矩阵及阻尼矩阵不断变化，使得上述方程求解非常复杂。就刚度矩阵而言，它是由单元刚度矩阵组装而成。依照弹塑性力学，单元刚度矩阵可表达为：

式中：[B]为几何矩阵，通过几何矩阵，由位移可求得应变。[E]为本构矩阵，通过本构矩阵，由应变可求得应力。由于非线性效应，[B]、[E]矩阵是不断变化。对弹塑性问题而言，一旦懂得任何时刻几何矩阵、本构矩阵，通过积分点数值积分，即可得到单元刚度矩阵[2]。也就是说，各积分点无论是处在弹性或塑性状态，咱们可以都得到相应时刻单元刚度矩阵。再通过边界条件，即可逐渐求解得到节点位移向量，进一步可求得任意一处位移、应变及应力，实现分析目的。在上述离散化过程，最普通单元是三维实体单元，其位移模式可以是线性或者是二次，视精度与效率规定而定。在详细问题中，由于受力与变形机制特殊性，导致位移场与应力场具备某些特殊性，合理运用这些特殊性，并作出相应假定，可大大提高计算效率和精度。如采用直法线等假定形成板单元，采用平截面等假定形成梁单元等。
3.2分析办法
弹塑性动力分析计算过程：
1.拟定构造几何模型和然后对模型划分网格；
2.拟定材料本构关系，通过针对材料类型和单元类型各构成某些来确
定阻尼矩阵、刚度、质量；
3.拟定模型边界条件并对地震波进行输入、计算；
4.分析完毕后，对数据成果进行分析，评估整个构造可靠性。
3.3 弹塑性动力分析优缺陷
采用弹性阶段振型分解反映谱法和推覆法分析相比，弹塑性时程计算方
法好处是：
1.这个办法是建立在塑性区定义基本上，与采用推覆单塑性铰法相比，
特别是剪力墙构造但不但仅限于，计算分析成果更接近实际；
2.由于是全程输入地震波，能反映地震作用时构造括变形，应力引起真
实反映，和破坏形态（裂缝和损伤）；
3.诸多软件是由材料定义考虑弹塑性性能，因此它们可以简化计算模型、
模仿所有构造；
弹塑性时程计算办法缺陷是：
1.需要使用损伤模型、钢筋砼本构关系和大量有限单元理论分析，
在设计人员规定方面比较高。
2.计算分析工程量多，计算时间长，由于大型通用有限元分析软件是不适
合进行实际工程分析，因而该程序使用起来比较麻烦，定义模型工作量大，
之前和之后数据解决复杂琐碎，不能作为比较简要设计软件；但是在现今，由于理论研究发展，电脑科技水平不断增长，动力弹塑性时程分析办法已经越来越多应用到实际工程中了。
4.用ABAQUS对一框架核心筒高层建筑进行模态分析及弹塑性时程分析
用ABAQUS进行弹塑性时程分析大体环节如下：
1).建立构造几何模型并划分网格；
2).定义材料本构关系，通过对各个构件指定相应单元类型和材料类型拟定构造质量、刚度和阻尼矩阵；
3).输入适合本场地地震波并定义模型边界条件，开始计算；
4).计算完毕后，对成果数据进行解决，对构造整体可靠度做出评估。
4.1建立模型
在ABAQUS中进行弹塑性时程分析时所选用单元均为宏观单元，而不是用实体单元，因而建模时对于楼板和剪力墙用壳单元模仿，而梁与柱则是采用梁单元。建立一高层框筒高层建筑，建筑原则层水平投影为15m×15m正方形，层高为5m，一共11层，总高度为55m，中心有一水平投影5m×5m核心筒。建立好模型如图4-1所示。

图4-1 拟分析高层建筑模型图
构件类型及尺寸：
混凝土均采用C30，钢柱及钢梁采用Q345，钢筋采用HRB335级钢，混凝土质量密度取2550kg/m3，钢材质量密度7850kg/m3。楼板板厚120mm，配筋为双层双8@200；核心筒墙厚200mm，纵向受力钢筋为双层14@150，水平向分布钢筋为8@200；钢柱采用箱形截面，尺寸300×300×12×12；钢梁采用工字型截面，尺寸200×100×8×10。
边界条件：
将建筑底层接地处剪力墙底部，柱底部设为固端约束。
将杆件及楼板，剪力墙截面定义及边界条件加上后来之后，模型图如图4-2所示。

图4-2 完毕构件尺寸及边界条件定义模型图
4.2材料本构
钢材本构统一采用二折线抱负弹塑性模型，弹性模量2.06×105MPa，屈服强度345Mpa，泊松比=0.3，进入塑性阶段后刚度为0。混凝土采用混凝土塑性损伤模型，其单轴特性荷载作用下应力应变关系图如下图4-3所示：

图4-3 单轴特性荷载作用下混凝土应力应变关系图[5]
为模仿出C30混凝土在往复荷载作用下应力应变关系，本文根据《混凝土构造设计规范》GB 50010-中附录C.2中混凝土单轴受拉、受压规范公式来定义混凝土在受拉，受压本构关系，并用损伤因子及来考虑往复振动下混凝土受压、受拉刚度折减[6]。对于反向加载刚度，用刚度恢复系数及来模仿，这里按默认值、，表达反向加载受压刚度完全恢复，拉伸刚度不恢复。

横坐标；纵坐标(单位：N/m2)
图4-4 输入到ABAQUS中C30混凝土受压本构曲线

横坐标；纵坐标(单位：N/m2)
图4-5 输入到ABAQUS中C30混凝土受拉本构曲线
4.3阻尼
分析时阻尼采用瑞利阻尼，假设阻尼矩阵是质量和刚度矩阵线性组合，即

其中，和为常数。本研究中高层构造重要材料为钢材与混凝土，阻尼比不会不不大于10%，可以采用瑞利阻尼，但对于大阻尼系统(不不不大于10%)，这个模型是不可靠。
取进行模态分析之后得出两个自振频率及(令以及之间尽量覆盖构造分析中感兴趣频段)，本次分析选用第一阶自振频率以及第六阶自振频率，振型阻尼比统一选取。和依照下面公式算出。
；

4.4输入地震波
本次分析中输入地震波为汶川地震波，由于分析耗费时间巨大，因而本次分析只输入前20s地震波段。如图4-5所示：

图4-5 汶川地震波
4.5选用有限元网格类型及网格划分
对于板和墙体，单元类型选用四节点曲面壳单元S4R，为线性单元；而对于梁与柱，则采用两节点线性梁单元B31，亦为线性单元。单元划分图如图4-6所示。

图4-6 网格划分图
4.6模态分析
一方面对模型进行模态分析，考察建筑前6阶振型，分析成果如下：

第一阶振型：x方向平动，周期：0.8344s
第二阶振型：y方向平动，周期：0.8129s

第三阶振型：绕Z轴扭动，周期：0.3359s
第四阶振型：x方向呈二次曲线平动，周期：0.1634s

第五阶振型：y方向呈二次曲线平动，周期：0.1602s
第六阶振型：绕Z轴作二次曲线形式扭动，周期：0.1145s

4.7弹塑性时程分析
将20秒x向地震波段输入模型基本上，进行时程分析，输出顶层x向位移时程曲线如下图所示：

图4-7 建筑顶部位移时程
选用基底其中一根柱子，输出基底x向剪力曲线如下图所示：

图4-8 基底x向剪力时程
5.总结
本文对高层构造弹塑性时程分析办法推广有一定参照价值。在构造设计中，相对于电算分析，概念设计显得更为重要。即便是弹性计算成果较为抱负构造，在罕遇地震下也也许会发生明显震害。因而，设计人员应当从概念设计角度对构造进行整体把握和判断，而不能完全依赖常规电算成果进行设计。
对重要高层建筑和复杂构造进行动力弹塑性分析，可以弥补弹性分析办法局限性，协助设计人员找到其薄弱部位；对构造在地震作用下可靠度进行评估，减少了设计盲目性，使构造设计更加合理和安全。
参照文献
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