[分享]论大震弹塑性分析基本规律的不靠谱性

作者:Struggle 时间: 2020-08-25 19:35 阅读:

  导读:在参与结构咨询工作过程中,我经常碰到某些工程师(或专家)以所谓的“基本规律”来质疑弹塑性结果的合理性,一线的工程师可能也会以公认的“基本规律”来调整自己的弹塑性计算结果,这是一件很尴尬的事情。安东亚博士的这篇文章非常棒,他指出,很多所谓的“基本规律”其实并不靠谱。我读完,获益良多,故将此文分享给大家。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  弹塑性分析手段被应用于复杂结构的抗震设计已经成为一种常态。这种分析手段正在帮助设计师逐渐从线弹性的思维模式转换为非线性的思维模式。经过大量项目的积累,人们以往的一些经验和认知得到不断更新,工程师能够更好地把握建筑抵抗地震作用的基本规律,进行更为科学合理的抗震设计。今天就盘点一下弹塑性分析曾经在改变我们对于结构地震响应规律认知方面所提供的帮助。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

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  关于“弹塑性位移小于弹性位移”KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  如果今天问大家“弹塑性分析的位移响应与弹性相比,是应该增大还是减小?”大家可能觉得已经有点小儿科了,但在10年之前,这个问题还真的是被争论的热点话题。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  因为当时做弹塑性分析的项目还很少,不管是设计师还是超限审查专家,以往的概念总是“刚度降低导致位移增大”,并且在《建筑抗震设计规范》中给出了采用简化弹塑性分析方法时的建议的“弹塑性层间位移角增大系数”取值表(现行版本抗震规范仍有这个表5.5.4)。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  但实际分析的结果经常会发现有些项目弹塑性分析所得位移结果不仅没有增大,反而比弹性结果还要小,看到这样的结果,有些专家难免质疑计算分析的正确性了。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  普遍接受了弹塑性分析位移结果增大与减小均有可能出现的规律特征。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  随着这些年大量工程项目弹塑性分析基本规律的总结,以及相关理论的研究,业界对这一问题已经基本没有争论了,并且从总的出现频率看,弹塑性位移降低的比例更高。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  研究发现,当结构的损伤和刚度退化程度较低的时候,更容易发生弹塑性位移降低,若出现严重破坏或显著薄弱层时则一般出现位移增大,并且具体结果和所选取的地震波频谱特征关系并不大。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  导致这一结果的主要原因在于刚度退化的同时,地震力也会降低,并且弹塑性耗能产生的附加阻尼对于位移和地震力的影响程度并不相同;KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  《地震作用下结构弹塑性时程分析位移响应研究》(第十二届高层建筑抗震技术交流会,2009)和《高层建筑结构刚度退化与地震作用响应关系的理论分析》(建筑结构学报,35(4),2014)。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  详细理论研究可参考KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

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  如果说关于弹塑性位移规律的认知较早得到了争论并得以明确的话,那么对地震力的基本规律则出现争论的时间较晚,其中一种争论就是“弹塑性地震力出现增大到底对不对”,这一争论大约发生在5年之前。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  当时某超高层项目在超限评审时,两个弹塑性分析的结果均显示有一些地震波的结果弹塑性地震力比弹性结果更大。在当时这种结果几乎是不能被接受的,专家大咖们肯定是要持怀疑态度的。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  刚度退化导致周期变长,地震力降低似乎是“天经地义”。但这种判断仅仅是一种基于反应谱分析的思维模式,并没有考虑伴随着结构动力特性发生改变,某些地震波的特殊频谱特征,可能导致更大的地震力响应,如下图。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  随后,在一些动力特征复杂的非塔楼式结构中也出现了弹塑性地震力增大的现象。到目前,业界也逐渐开始接受这一规律。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  但和位移规律不同的是,弹塑性位移减小是一种普遍现象,几乎不依赖地震波特性,而弹塑性地震力增大则出现的相对较少,并且受地震动频谱特征影响很大。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  图1周期增加后加速度谱值的陡增现象KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

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  “结构在地震作用下发生塑性破坏,刚度退化,周期变长,地震力降低,并且这个降低要有一个合理的程度,大震弹塑性地震力约为小震反应谱的3~5倍,最好是4倍左右,最好是大震弹性的70%以上。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  关于地震内力响应,如果排除前面提到的特殊地震波导致地震力增大的现象,通常的认识是,KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  地震力的变化规律非常复杂,离散性比位移大得多,不建议根据这些经验数据判断弹塑性分析结果。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  但这些仅仅是一般性的经验,并非必然规律,即使出现地震力降低程度较大,也未必表明结构一定发生了严重的破坏,正如提出前面一般规律的王亚勇大师也曾多次指出,KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  2年之前笔者参与的一个300米级超高层结构,有两条波的弹塑性地震力降低超过50%,但位移角并不大,损坏程度也不显著,在全国超限评审会上有专家对这个结果提出质疑。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  最后补充了进一步的分析,给出导致地震力降低程度大的原因,主要也是在于地震波的特殊性,在结构周期拉长的范围内,地震波的反应谱值降低迅速。这和前一个问题出现谱值“陡增”的现象正好相反(详见本站之前发文《地震波多样性系列之二:地震内力响应的“悖谬”关系》)。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  图2地震动反应谱在局部周期范围快速下降对比图KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  如此看来,仅根据地震力降低幅度来判断结构损伤破坏和刚度退化程度并不合理,二者之间并不具备必然的对应关系。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  基本周期和阻尼对相同刚度退化导致地震力降低程度也有很大的影响,KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  这也是“反应谱思维”模式带来的另外一个概念误差。但是若仍然排除地震波局部周期范围内谱值变化的特殊性以后,根据地震力降低的程度判断刚度退化程度是否合适呢?很有可能也是不合理的。要想准确判断,还必须区分不同高度、不同结构体系,因为相关研究可参考《高层建筑结构刚度退化与地震作用响应关系的理论分析》(建筑结构学报,35(4),2014)。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

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  抗震规范要求结构体系布置时宜满足“结构在两个主轴方向的动力特性宜相近”的要求。当满足这个要求时,通常表现为两个方向的基本周期差别不大,总地震力也比较接近。但在罕遇地震弹塑性分析中发现,对于框架-核心筒结构,即便两个方向的动力特性非常接近,也往往出现弹塑性地震力差别较大,而且是一种普遍存在的现象。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  很多时候核心筒在两个主轴方向墙体的开洞差别较大,比如一个方向为一道洞口,另一个方向为两道以上洞口,尽管在方案布置的时候通过总体刚度的控制,使得两个方向的总抗侧刚度基本一致,但在大震分析中却有很大的差别。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  这主要是由于KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  一般洞口较多的一个方向刚度退化更为明显,最终两个方向的总地震力差别较大,这与弹性分析或反应谱结果中显示的两向地震力基本相当的概念是不同的。从另外一个角度讲,这种地震力降低差别大,仅表明连梁破坏导致总刚度退化不同,并非主体结构破坏程度差别大。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  表1某项目弹塑性分析两向地震力对比表KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  图3某项目核心筒洞口布置与连梁破坏情况KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

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  弹塑性分析结果中最重要的指标是层间位移角,这也是规范当中控制的主要参数。早期做弹塑性分析,经常说满足位移角不大于1/100,即满足“大震不倒”,其实是非常不合理的说法。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  按照目前规范计算位移角的方法,位移角指标与结构实际受力并没有必然的联系,特别是对于塔楼式的超高层结构。主要是没有区分整体弯曲变形和有害变形。侯晓武博士在《如何保证结构“大震不倒”》一文中详细谈到了这个问题(“SAUSAGE非线性”公众号推文)。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  大量弹塑性分析的工程案例表明,主要有两种情况出现。第一种情况是,有些结构整体位移角较大,但损坏较轻,这表明实际有害变形的比例较低;第二种情况为,某些塔楼式结构总体位移角并不大,但刚度退化显著,地震力降低程度大。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  而且第二种情况出现的比例并不低,导致这种现象的原因主要有两个,一是在于结构由于发生明显刚度退化后,地震力和位移都发生较大程度的降低,直接提取的位移角并不大;二是由于局部楼层由于刚度突变等原因发生破坏,尽管总体位移角不大,但有害变形的比例较高。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  控制位移角限值对于判断结构倒塌或者破坏程度并KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  由此看来,。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  图4某结构核心筒加强前后收进处的破坏情况KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  图5某结构核心筒加强前后位移角对比曲线KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

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  如果说位移响应变化规律、地震力降低程度都不足以反应结构破坏和刚度退化程度,那么什么能呢?周期可以吗?如果关注本章文章的话,不久前推送的一篇文章《大震下高层结构实际振动响应周期到底会不会“变短”?》详细讨论了这个问题。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  采用弹塑性位移曲线与弹塑性位移曲线的对比图来考察响应周期滞后的情况,以此来判断刚度退化情况有时候也是失灵的,即有可能出现弹塑性响应周期比弹性响应周期更短的情况,而结构刚度却实实在在在发生了退化。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  主要说明了KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  如下图,是笔者今年参与的一个超高层项目的一条波的位移响应对比结果,在40s-50s之间表现出弹塑性振动周期变短的现象。主要原因在于弹塑性耗能产生的附加阻尼导致瞬态响应成分加速衰减后,地震动较短周期的激励成分引起的受迫振动加强所致。详细研究数据参见上面链接中的原文推送。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  图6弹塑性与弹性位移对比结果曲线KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  这种现象的出现比较罕见,甚至比弹塑性地震力增大现象出现概率更低,并且严重依赖于地震波频谱特征。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  从实际工程项目来看,但从结构振动响应的基本理论角度解释这一现象,有助于帮助我们对结构地震响应规律的进一步认识。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

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  在针对框架-核心筒双重抗震防线的问题上,通常会认为地震力根据核心筒和框架刚度的比例在内外之间进行分配,一旦作为第一道防线的核心筒发生明显刚度退化后,地震力将由内向外“转移”,出现外框柱的剪力大幅度增加现象。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  实际上所谓的转移是“重分配”的另外一种说法。如果按照总内力不变的情况下,一道防线的刚度退化必然导致另外一道防线的内力急剧增加。但地震总内力的大小与结构动力特性密切相关,核心筒刚度的退化引起动力特性发生改变,总内力可能显著降低,原有的地震力的很大一份将出现凭空“消失”,根本不需要“转移”到其它防线上去。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  因此外框柱的剪力绝对值可能比核心筒保持完好的情况下反而更低。即便从相对比例来看,也有可能不会大幅度上升。下表给出的是一栋40层高框架-核心筒结构考虑核心筒发生比较严重破坏后内外剪力及其比值的变化情况。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  表2外框柱剪力分担情况对比KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  地震作用响应的动态变化规律要求我们在考察相关刚度和内力关系问题时,需要同时关注内力分配和总内力的变化,区分内力的“转移”部分和“自然消失”部分。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  进一步讨论,如果可以将结构的抗侧力系统分为两类,一类为纯抗侧系统,只承担水平作用,不承担竖向荷载,另一类则同时承担水平和竖向双重作用,不同类型抗侧系统的刚度退化引起的内力“转移”和“消失”的比例将又有不同。关于这个话题,将另外撰文专门讨论。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  这种认知提醒我们,在根据小震弹性反应谱分析所得外框剪力,通过内力调整进行外框柱的设计方法需要重新考虑。因为很难搞清楚在大震下外框柱的内力将发生什么样的变化。或许根据小震进行双重防线的设计的根本出发点已经不正确了。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  文献《基于“伪弹塑性”分析方法的双重抗震防线设计方法》(建筑结构,2015.12)则提供了一种新的设计思路,直接采用一种确定性大震内力设计法对外框柱防线进行设计。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  风和地震是两种完全不同的外载模式,在考虑风荷载在内外体系之间的分配时,则大可不必考虑得如此复杂,根据刚度折减比例进行分配转移不会有太大问题。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

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  传统基于弹性分析的设计方法是否失灵?KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  关于前述7个问题的认知,基本都有了明确的结论。但最近一两年,工程师们开始思考另外一个令人困惑的问题:KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  为什么要问这个问题呢?因为以往的弹塑性分析多数情况下仅仅被认为是一种“可有可无”的补充手段,即便进行分析,也多数情况是看一个层间位移角,满足规范即可,构件性能比较少去关注,或者关注一下也不会有问题,总之弹塑性分析就是在弹性分析完了过一遍而已,不会影响弹性设计。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  但最近几年,很多项目的抗震最终要由弹塑性分析去控制设计,包括墙体布置、配筋等,而且有时候反复加强还不能满足。到底是弹塑性分析出了问题,还是原来那套设计方法失灵了呢?KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  另外一个奇怪的现象是,有些项目本来不需要进行弹塑性分析,但由于一些特殊原因,顺便补充一个弹塑性计算,结果发现原来的设计竟是不能满足基本性能要求,需要加强的。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  这就涉及到两个方面比较关键的问题,一个方面是通过弹塑性分析对结构性能的把握是否真实客观?在性能量化判断层面上应该把握什么样的尺度?有误差不怕,重要的需要是对误差进行标定,通过不同软件进行对比标定恐怕是不行,通过模型试验也很困难。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  如果暂时不去怀疑软件模拟结果的话,则面临第二个方面的关键问题,即当前工程项目结构的复杂程度越来越高,基于原有认知经验或者规范进行的设计,可能确实较难自然满足预期的性能目标,有必要反复进行调整。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  从另外一个角度来讲,审查专家对于重大项目把握的尺度越来越严,比如从关注7组波的平均值,到更加看重大能量波的结果,构件的性能目标越提越高等,这都导致设计变得更加困难,但从提高结构安全度的方面来看是有好处的。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

  从总的趋势来看,非线性分析手段将越来越被重视,在结构抗震设计中发挥的作用也越来越大。尽管还没有进入完全非线性设计的时代,但注定在向这个方向前进。KYq七二检测-检测教程、检测报告、检测程序、行业考试、标准规范、招聘求职

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