大連某工程的塑性動力時程分析

摘要：本文以大連某鋼結構高層框架為實例，對設計工程師不常用到的結構在塑性階段的計算過程進行描述、分析，主要介紹塑形動力時程分析的過程與方法。

關鍵詞：塑性動力時程分析；epda；時程波選擇

結構罕遇地震下的塑性分析的目的是

1、進行大震下的彈塑性變形驗算（主要為層間位移角），確保結構大震不倒。

2、了解結構在地震作用下構件出現塑性鉸的位置和次序；判斷薄弱層位置；從而有針對性地對結構進行加強、調整以及采取相應的構造措施。

本工程為大連市某鋼結構高層框架，總建筑面積為3580.68m，建筑層數：地下二層，地上七層，建筑高度為28.65米，二類高層民用建筑，結構主體為鋼結構。以下主要介紹本工程塑性時程分析的過程。

一、時程波的選擇

時程波的選擇是時程分析中最重要的步驟。

采用時程分析法計算結構的地震反應時，《高鋼》中規定輸入地震波的選擇應符合下列要求：

采用不少于四條能反映當地場地特性的地震加速度波，其中宜包括一條本地區歷史上發生地震時的實測記錄波?

鑒于目前我國的條件，不可能都具備當地的強震記錄，經常用 E1 Centre ? Taft 或其他一些容易找到數據的波形，這些波有時與當地條件并不吻合?因此，提出至少用四條波，并應盡可能包括本地區的強震記錄，如無法實現，則應找與建筑物場地地質條件類似地區的強震記錄，或采用根據當地地震危險性分析獲得的人工模擬地震波，使地震波的頻譜特性能反映當地場地土性質。

《建筑抗震設計規范》中5.1.2條規定采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數量不應少于總數的2/3，多組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，其時程加速度的最大值可按表1.1采用?

彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%?該規定一定程度上避免了不同地震波計算結果離散性較大所帶來的問題，保證了分析的有效性，在執行該條文時，設計人員不能單純的放大地震波的峰值加速度，這樣其實是放大了結構的設防烈度，這是沒有根據的，可行的做法是在相鄰特征周期的地震波庫中選取，例如在 0.35S 特征周期地震波庫中無法得到足夠數量的地震波，那么可以從 0.30S 或 0.40S 的庫中進行相應的選擇，因為其地震波的頻譜特征是接近的，這比簡單地放大地震波的峰值加速度要更有根據。[3]

建議在進行罕遇地震下彈塑性動力時程分析前，首先使用彈性時程分析方法，通過上述的振型分解反應譜法基底剪力的值，要求來確定下一步彈塑性動力時程分析的地震波，避免地震波選取的隨意性。這種做法雖然從理論上仍然值得探討，但是在現階段應該是一種比較可靠的工程實用化方法。[4][5]

計算時需要設定地震加速度的持續時間，《抗規》中建議地震加速度的持續時間一般為結構基本周期的 5 ～10 倍，《高鋼》中要求地震波的持續時間不宜過短，宜取10～20s或更長，現行《高鋼》仍為舊規范，新規范也有可能會與《抗規》協調統一，目前階段如是計算高層鋼結構建筑，建議以《高鋼》為準。

當按照規范需要考慮雙向地震作用或計算豎向地震作用時，彈性時程分析同樣需要考慮多向地震作用方法是改變地震波的次方向和豎向峰值加速度，主、次方向與豎向的加速度峰值的比值一般是 1：0.85：0.65，但本工程僅為輔助罕遇地震下的選波，為了加快運行速度，故加速度峰值的比值為1：0：0，次分量和豎向分量的加速度峰值置零，則退化為單向地震分析。

根據本工程場地類別，特征周期0.35s，取0.35s下的時程波來進行試算，人工波RH1TG035，RH4TG035能夠滿足規范要求，天然時程波僅TH4TG035能夠符合規范要求，其他天然波產生的地震力均不到振型分解法的地震力的65%，均值也不到80%。故在特征周期0.4s的波庫中選擇合適的波形，經過試算，TH2TG04能夠符合規范要求。

二 結構彈塑性動力時程分析

罕遇地震下的分析軟件使用中國建筑科學研究院PKPMCAD工程部編制的結構分析程序EPDA（2010版）進行彈塑性階段的結構分析。

對結構用四條地震波進行彈塑性時程分析的結果如下，

對延性比的計算由于程序不能直接給出，所以需要間接的計算，《高鋼》中給出了延性比的定義為層間最大允許位移與其彈性位移之比，即層間的彈塑性階段計算的極限位移與結構開始屈服時的臨界位移之比，極限位移現在已由塑性階段的時程分析得到，而結構開始屈服時的臨界位移可由靜力推覆法得到。

通過對本工程的塑形時程分析，希望對工程師在設計過程中起到借鑒和參考的作用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家標準，高層民用建筑鋼結構技術規程（JGJ 99-98）[M]. 北京：中國建筑工業出版社 1998

[2]中華人民共和國國家標準，建筑抗震設計規范（GB 50011-2001）[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2001.

[3]楊志勇 黃吉鋒 彈性、彈塑性時程分析法在結構設計中的應用[J]

[4]楊志勇，黃吉鋒，邵弘 彈性與彈塑性動力時程分析方法中若干問題探討[J]

[5]黃吉鋒 彈塑性分析軟件PUSH和EPDA講稿[R]

[6]楊志勇 關于EPDA 講稿[R]

[7]楊志勇，白文軒，趙曼旭，任智杰，EPDA 軟件中隔震、減震裝置的設計實現[J]