汽車坡道動力彈塑性分析報告盈建科軟件PAGE\*romani目錄第1章工程概況 2第2章分析目的 3第3章線彈性分析與設計 3第4章地震波 5第5章計算模型 10第6章總體指標對比 13第7章時程曲線 16第8章樓層最大響應 17第9章構件損傷因子 22第10章總結 28PAGE\*Arabic2第1章工程概況框架結構模型軸測圖，底層平面圖，及南立面圖如下：圖1-1模型軸測圖圖1-2底層平面圖圖1-3南立面圖第2章分析目的本報告通過大震作用下的動力彈塑性分析，擬達到下述目的：1）計算結構總體響應情況，通過基底或各層間剪力等參數，評價結構總體地震力響應以及結構總體的彈塑性開展程度；2）計算結構總體變形情況，評價結構是否存在顯著的側向變形；計算結構層間變形情況，評價結構是否存在嚴重的薄弱層或者柔弱層（依據層間位移角對比）；3）評價主要抗側力構件的塑性損傷分布（包括剪力墻的損傷信息、框架梁柱以及連梁的塑性鉸數量（比例）、分布、發展程度信息），判斷主要抗側力構件在罕遇地震作用過程中是否實現預定的性能目標水準。第3章線彈性分析與設計小震彈性設計《高規》第5.5.1條第3款規定：構件的幾何尺寸、混凝土構件所配的鋼筋和型鋼、混合結構的鋼構件應按實際情況參與計算。在進行彈塑性分析之前，已經完成了多遇地震下的結構分析與設計。規范規定的周期比、位移比、剛度比、受剪承載力比、軸壓比等均已調至滿足要求。采用YJK軟件性能設計功能完成了中震和大震設計，具體做法如下:中震性能設計性能設計參數中，設計標準選《高規》，性能水準選3。設計信息參數中，去掉按抗震規范（5.2.5）條調整地震內力與自動薄弱層放大計算選項。地震信息參數中，阻尼比按《高規》3.11.3條條文說明中建議，將混凝土材料阻尼比提高到6%。其余參數按軟件默認值計取。大震性能設計性能設計參數中，設計標準選《高規》，性能水準選4；設計信息參數中，去掉按抗震規范（5.2.5）條調整地震內力與自動薄弱層放大計算選項。地震信息參數中，阻尼比按《高規》3.11.3條條文說明中建議，將混凝土材料阻尼比提高到7%，鋼材提高到3%。其余參數按軟件默認值計取。中震和大震均需指定關鍵構件、普通構件及耗能構件。指定方式依據下表原則：抗震性能目標結構抗震性能水準C多遇地震設防烈度地震罕遇地震134結構抗震性能水準完好，無損壞輕度損壞：關鍵構件輕微損壞；普通豎向構件輕微損壞；耗能構件輕度損壞、部分中度損壞中度損壞：關鍵構件輕度損壞；普通豎向構件部分中度損壞；耗能構件中度損壞、部分比較嚴重損壞層間位移角限值1/6001/2001/100關鍵構件支撐大跨度鋼結構屋蓋的型鋼柱規范設計要求，彈性抗彎彈性，抗剪彈性抗彎不屈服，抗剪不屈服躍層柱規范設計要求，彈性抗彎彈性，抗剪彈性抗彎不屈服，抗剪不屈服剪力墻底部加強區規范設計要求，彈性抗彎不屈服，抗剪彈性抗彎部分屈服，抗剪不屈服鋼支撐（防屈曲）小震彈性中震屈服耗能大震耗能普通豎向構件普通框架柱規范設計要求，彈性抗彎不屈服，抗剪彈性抗彎部分屈服，抗剪不屈服非底部加強區剪力墻規范設計要求，彈性抗彎不屈服，抗剪彈性抗彎部分屈服，抗剪不屈服耗能構件框架梁規范設計要求，彈性抗彎部分屈服，抗剪不屈服大部分屈服，滿足抗剪截面驗算要求懸臂梁規范設計要求，彈性抗彎彈性，抗剪彈性抗彎不屈服，抗剪不屈服剪力墻連梁規范設計要求，彈性抗彎部分屈服，抗剪不屈服大部分屈服，滿足抗剪截面驗算要求其他結構構件規范設計要求允許進入塑性出現彈塑性變形，破壞較嚴重但防止倒塌節點不先于構件破壞一~四層樓蓋混凝土拉應力小于抗拉強度標準值鋼筋拉應力小于抗拉強度設計值-中、大震性能設計時各類構件軟件均會依據其性能屬性做出彈性設計或者不屈服設計。完成小震、中震和大震設計之后，將各類構件的配筋取包絡后用于后續彈塑性時程分析。設計依據規范/規程《混凝土結構設計規范》（2015年版）GB50010-2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）GB50011-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3－2010《高層民用建筑鋼結構技術規程》JGJ99-2015《建筑結構荷載規范》GB50009-2012《建筑工程抗震設防分類標準》GB50223－2008《建筑結構可靠性設計統一標準》GB50068-2018《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建設部文件建質[2015]67號）《工程建設標準強制性條文》房屋建筑部分（2013年版）《中國地震烈度表》GB/T17742-2008《建筑結構抗倒塌設計規范》CECS392:2014第4章地震波《高規》第5.5.1條第6款規定：進行動力彈塑性計算時，地面運動的加速度時程的選取、預估罕遇地震作用時的峰值加速度取值以及計算結果的選用應符合該規程4.3.5條的規定。第4.3.5條主要要求有：a 選擇3組或者7組地震波。b 地震波的“有效持續時間”不宜小于周期的5倍，并且應大于15s。c 多組地震時程曲線的平均地震影響系數曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數曲線在統計意義上相符。條文說明中對統計意義相符的解釋為：在對應于結構主要振型的周期點上相差不大于20%。依據以上選波條件選出符合本項目分析用的3組地震波。各組波的彈性時程剪力與彈性振型分解反應譜的剪力對比如下表所示。波序號波名稱X向剪力(kN)比值(%)Y向剪力(kN)比值(%)是否滿足1ArtWave-RH3TG055,Tg(0.55)16955.1349516644.559100是2Chi-Chi,Taiwan-06_NO_3271,Tg(0.52)11072.3616211097.40266否3Northridge-01_NO_947,Tg(0.53)13416.3237511260.08867是多波平均13814.6067713000.68378是振型分解法17797.60316603.181-本項目采用的地震波各方向加速度-時間曲線如下列圖中所示。圖4-1ArtWave-RH3TG055,Tg(0.55)125_X方向加速度時程曲線圖4-2ArtWave-RH3TG055,Tg(0.55)125_Y方向加速度時程曲線圖4-3Chi-Chi,Taiwan-06_NO_3271,Tg(0.52)125_X方向加速度時程曲線圖4-4Chi-Chi,Taiwan-06_NO_3271,Tg(0.52)125_Y方向加速度時程曲線圖4-5Northridge-01_NO_947,Tg(0.53)125_X方向加速度時程曲線圖4-6Northridge-01_NO_947,Tg(0.53)125_Y方向加速度時程曲線3組波的水平主方向分量有效持續時間如下表，滿足規范相應條文要求。波序號名稱有效持續時間(s)1ArtWave-RH3TG055,Tg(0.55)21.82Chi-Chi,Taiwan-06_NO_3271,Tg(0.52)27.03Northridge-01_NO_947,Tg(0.53)28.8人工波采用雙向地震波輸入，天然波采用三向地震輸入，各方向加速度峰值比例為1.00:0.85:0.00。時程分析時輸入地震加速度的最大值，大震分析時取值為125.00cm/s2。地震分析時考慮重力荷載作用代表值產生的預壓力。各組地震波的反應譜、平均反應譜及與規范譜的對比結果如下圖所示。從圖中可以看出，各主要周期上平均反應譜與規范譜相差最大值滿足小于20%的“統計意義相符”規定。圖4-7地震波反應譜和規范譜對比第5章計算模型桿件單元軟件提供纖維束或塑性鉸兩種單元模擬桿件。本項目分析模型中的桿件均采用纖維梁單元模擬（見下圖），此處桿件是指混凝土梁、柱、斜桿和型鋼梁以及由鋼筋等效而成的箱梁。纖維梁單元能考慮軸力和彎矩耦合影響，每根纖維的效應為軸力與雙向彎矩產生效應的組合。圖6-1桿單元墻單元墻單元采用基于混凝土損傷本構理論的平板殼單元模擬，每個單元采用9個高斯積分點進行數值積分計算。面內膜部分為平面應力單元加上Allman型轉角自由度，每個節點具有3個自由度。面外板部分每個節點有1個垂直板方向平動自由度與2個轉動自由度共3個自由度。墻單元每個節點有面內加面外6個自由度，如下圖所示。圖6-2墻單元分布筋分布筋是指水平分布鋼筋層與縱向分布鋼筋層，鋼筋層采用基于雙軸正交異性本構理論的殼元模擬，不考慮剪切項的影響。墻體邊緣構件鋼筋采用箱型鋼柱模擬。混凝土本構模型本程序內置的混凝土纖維單軸本構模型，可以考慮：混凝土開裂后強度降低，剛度退化；混凝土開裂反向加載至閉合后，重新具備受壓能力與剛度；混凝土受壓的強度降低與剛度退化；混凝土纖維壓碎后退出工作。卸載時存在殘余應變，卸載與再次加載均采用退化的直線剛度，與《混凝土結構設計規范》附錄C中建議方法一致，如下圖中所示。圖6-3混凝土骨架曲線和滯回曲線鋼筋與鋼材模型目前鋼梁和鋼筋纖維的材料模型是類似的，選用的都是雙折線隨動強化模型，該模型的骨架曲線如下圖所示，初始彈性模量按《鋼結構設計規范》與《混凝土結構設計規范》記取，屈服后的彈性模量為初始彈性模量的0.01倍。滯回時可考慮反向加載屈服強度下降的現象（即包辛格效應），卸載剛度與再加載剛度相等，均為初始彈性模量。圖6-4鋼和鋼筋骨架曲線及滯回曲線阻尼模型阻尼采用經典的瑞利阻尼。即阻尼矩陣[C]由質量矩陣[M]和剛度矩陣[K]疊加組合而成，阻尼矩陣在整個求解過程中保持恒定不變。[C]=α[M]+β[K]上式中質量阻尼系數α和剛度阻尼系數β按以下兩式計算：α=2ω1ω2(ω2ξ1-ω1ξ2)/(ω2^2-ω1^2)β=2(-ξ1ω1+ξ2ω2)/(ω2^2-ω1^2)ω1、ω2為計算阻尼系數用的兩個周期對應的頻率值，ξ1、ξ2為相應周期的阻尼比取0.9T1與0.25T1。本項目采用的模型參數、構件參數、計算參數如下表所示：模型參數材料強度代表值:標準值是否考慮施工模擬次序:一次性加載是否考慮幾何非線性:是忽略桿件端部鉸接:是地下室完全嵌固:是連梁加密:是是否輸出樓板損傷:否是否考慮混凝土受拉:是構件參數樓板表述:同反應譜墻元大小:細分墻元桿件模型:纖維模型墻板模型:分層殼模型是否考慮混凝土箍筋約束:是是否細分墻體質量:是計算參數結構阻尼類型:瑞麗阻尼第一振型周期:0.210E+01第一陣型阻尼:0.600E-01第二振型周期:0.182E+01第二陣型阻尼:0.600E-01質量阻尼系數:0.193E+00剛度阻尼系數:0.186E-01動力方程求解方法:迭代求解器數值積分方法:常加速度Newmark第6章總體指標對比考慮到彈塑性分析理論復雜，并應考慮結構的實際配筋，為了獲得穩定可靠的結果，彈塑性分析模型可做適當簡化處理，但不能與實際情況偏差太大。為了保證YJK線彈性分析與設計模型（后文簡稱YJK-A）、YJK彈塑性計算模型（后文簡稱YJK-EP）的一致性（即規范要求的彈性設計模型與彈塑性時程分析模型動力特性不能有太大差異），需對比兩個模型的總體計算指標。前三階周期及總質量對比結果如下，各項指標相差幅度絕對值為6.67%（宜小于5%，不宜大于10%），周期差異可能由彈塑性模型不考慮中梁剛度放大系數等因素造成。振型號YJK-A(s)YJK-EP(s)相差(%)12.09542.10410.4122.03241.8969-6.6731.81721.7715-2.51總質量(t)23299.723707.01.75YJK-A與YJK-EP模型計算的前3階振型的模態圖對比如圖所示。圖7-1YJK-A第1階振型圖7-2YJK-A第2階振型圖7-3YJK-A第3階振型圖7-4YJK-EP1階振型圖7-5YJK-EP2階振型圖7-6YJK-EP3階振型從對比圖中可以看出，不僅兩模型的周期值接近，前三階模態形狀（平動與扭轉成分）也基本相同。第一振型均為水平X向為主，第二振型均為水平Y向為主，第三振型均為扭轉為主。圖中顏色差異是由YJK-A與YJK-EP模塊所用著色方式不同所致。第7章時程曲線下表所示為各條地震波在X、Y為主方向的基底剪力計算值。各條波在基底剪力與小震彈性CQC的剪力比值均與經驗值比較符合。波名X主方向Y主方向X向基底剪力(kN)波剪力/小震彈性CQC剪力Y向基底剪力(kN)波剪力/小震彈性CQC剪力ArtWave-RH3TG055,Tg(0.55)12513276.460.70Chi-Chi,Taiwan-06_NO_3271,Tg(0.52)1259739.020.52Northridge-01_NO_947,Tg(0.53)1259805.010.52平均值10940.160.58小震彈性CQC18883.771.0017618.021.00為了了解結構在地震作用下，隨著地震激勵時間的增加結構的位移反應以及剛度退化情況。由于ArtWave-RH3TG055,Tg(0.55)125地震波結果X主方向剪力最大（見上表），選用這組地震波具有代表性。下圖所示為這組地震波的位移、剪力時程曲線。圖8-1地震波X主方向第3層X方向位移時程曲線圖8-2地震波X主方向第1層X方向剪力時程曲線從上述圖中可以看到，結構彈塑性時程曲線與彈性時程曲線出現了分離現象，最大幅值和振動頻率均不同步，說明結構在地震波激勵作用下材料進入了塑性狀態。第8章樓層最大響應樓層最大響應顯示的是各個樓層在地震波作用下響應的最大值。通常也是工程師最應關注的指標。規范明確規定彈塑性位移角不能超過位移角限值，否則判定結構不能達到大震不倒的設防水準。各條波最大的層位移、層位移角、層剪力曲線如下列圖所示：圖9-1X方向最大樓層位移曲線圖9-2Y方向最大樓層位移曲線圖9-3X方向最大樓層剪力曲線圖9-4Y方向最大樓層剪力曲線圖9-5X方向最大樓層位移角曲線圖9-6Y方向最大樓層位移角曲線注：以上各圖中地震波名稱如下地震波1：ArtWave-RH3TG055,Tg(0.55)125地震波2：Chi-Chi,Taiwan-06_NO_3271,Tg(0.52)125地震波3：Northridge-01_NO_947,Tg(0.53)125上述圖中看出:1）大震下X、Y分別為主方向時，彈塑性位移普遍大于彈性位移，說明結構都可能已進入了不同程度的非線性，最大位移均位于頂層。2）大震彈塑性基底剪力明顯小于彈性基底剪力，與經驗值相符合。3）大震下X、Y分別為主方向時，彈塑性位移角普遍大于彈性位移角，說明都已進入了非線性，但程度有些不同。大震下3組波的X方向包絡位移角最大值位于2層，位移角最大值為1/231弧度，Y方向包絡位移角最大值位于2層，位移角最大值為1/174弧度；從上述章節可知，地震波以X向為主方向，ArtWave-RH3TG055,Tg(0.55)125波基底剪力的結果最大，挑選其底部剪力與位移繪制滯回曲線，以了解結構整體上的承載力狀況。下圖所示為該地震波作用下的滯回曲線。圖9-7X向底部剪力位移滯回曲線圖9-8Y向底部剪力位移滯回曲線從滯回曲線圖中可以看出，結構承載力已經有塑性發展的特征，不能保持為接近線彈性的狹長形狀，大震下滯回圈比中震下有變大的趨勢，但沒有下降的特征，說明結構總體承載力沒有出現降低，滿足性能水準要求。第9章構件損傷因子地震作用下結構的損傷是一個逐漸發展的過程，首先出現損傷的構件將起到消耗地震能量的作用。損傷順序是否合理是結構方案設計是否合理的一個重要評斷依據。依據規范建議：混凝土的損傷規律主要通過受壓損傷查看，軟件計算受壓損傷所用的公式為《混凝土結構設計規范》附錄C中受壓損傷演化參數，該值與混凝土纖維的計算應變有關，應變越大，損傷值越大，進入下降段后，混凝土接近壓潰，此時損傷接近100%，在損傷圖中以紅色標示；鋼筋的損傷主要通過受拉損傷查看，軟件計算鋼/鋼筋損傷所用公式為總應變與屈服應變的比值，故當鋼/鋼筋纖維應變達到屈服應變時，損傷圖中將以紅色對其進行標示。材料應力與應變關系圖及應變與損傷的關系圖如下列圖中所示。圖10-1應力應變曲線圖10-2損傷因子圖10-3鋼/鋼筋損傷因子各條波下結構損傷順序有些差別，但總體上規律基本一致。以ArtWave-RH3TG055,Tg(0.55)125地震波結果為代表進行說明，以下圖片顯示了該地震波在0s時刻、5s時刻、15s時刻與最后時刻的混凝土受壓損傷計算結果與最終時刻的鋼/鋼筋受拉損傷結果。與此同時，依據《建筑結構抗倒塌設計規范》中建議的判定原則，給出了結構構件的損傷等級判定結果圖。圖10-40s時刻混凝土受壓損傷圖圖10-55s時刻混凝土受壓損傷圖圖10-615s時刻混凝土受壓損傷圖圖10-7最后時刻混凝土受壓損傷圖圖10-8最后時刻鋼筋受拉損傷圖從上述圖中可以看到，在地震波開始激勵之前，即重力代表值施加完成后，結構基本上沒有出現損傷，隨著地震激勵時間的增加，塑性逐漸發展，最后時刻的損傷圖中可以看出，頂層出屋面層柱底損傷最為嚴重，其次是中間各層梁損傷較為嚴重，地上1層柱底損傷相對中間層較為明顯，中間樓層少數柱子也出現了比較明顯的損傷。鋼筋損傷圖中，通過破損等級設置對話框設置1倍、2倍、3倍、5倍屈服應變時為輕微損壞、中等破壞、嚴重破壞、倒塌。圖中顯示大部分構件處于輕微損壞，部分構件達到中等破壞，少數構件鋼筋出現嚴重破壞，但未見有構件鋼筋達到倒塌水平。《建筑結構抗倒塌設計規范》將混凝土和鋼筋的應變做為雙重條件對結構構件損傷進行評價，給出了無損壞、輕微損壞、輕度損壞、中度損壞、比較嚴重損壞、嚴重損壞6個等級的評定值。如下表所示。損壞等級損壞程度判別標準混凝土鋼筋1級無損壞|ε3|≤1.00|εp|且ε1≤1.00εy2級輕微損壞|ε3|≤1.00|εp|且1.00εy<ε1≤2.00εy3級輕度損壞1.00|εp|<|ε3|≤1.50|εp|或2.00εy<ε1≤3.50εy4級中度損壞1.50|εp|<|ε3|≤2.00|εp|