Push-over方法的理論與應(yīng)用.pdf

1、地震是對(duì)人類威脅最大的自然災(zāi)害之一，我國是全球大陸地震最集中的國家，地震強(qiáng)度和頻度居世界各國大陸地震的首位。多年來人們一直致力于發(fā)展和完善抗震理論和工程措施，隨著社會(huì)生產(chǎn)力水平的進(jìn)步，近年來發(fā)生在國內(nèi)外的幾次大地震都呈現(xiàn)出傷亡人數(shù)小、經(jīng)濟(jì)損失大的特點(diǎn)。這一方面說明了經(jīng)過多年的發(fā)展，工程抗震和相關(guān)學(xué)科已發(fā)展到了一個(gè)較高的水平，至少可以保證生命的安全，另一方面也指出了今后這一領(lǐng)域的努力方向，那就是在保證生命安全的前提下，同時(shí)保證財(cái)產(chǎn)的安全。

2、在這種情況下，各國的政府、組織和研究人員開展了一系列的工作來迎接這一挑戰(zhàn)，提出了“基于性能”這一概念，其基本目的是使工程建設(shè)具有可預(yù)計(jì)的抗震性能，幫助業(yè)主和設(shè)計(jì)者選擇和實(shí)現(xiàn)針對(duì)各種建設(shè)項(xiàng)目的不同的性能水平?；谛阅艿目拐鹪O(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法主要體現(xiàn)為基于位移的設(shè)計(jì)，而初衷是建立一種大震下結(jié)構(gòu)抗震性能的快速評(píng)估途徑的push-over(推覆、推倒)方法，因?yàn)榫哂泻?jiǎn)便、直觀、信息豐富的特點(diǎn)，隨著90年代以后基于位移和基于性能的抗震設(shè)計(jì)等概念的提出

3、和廣為接受，得到了重視和發(fā)展。本文第一章首先討論了基于性能、基于位移的抗震設(shè)計(jì)的一些基本問題以及目前國內(nèi)外的現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，對(duì)push-over方法的起源、發(fā)展過程以及目前常用的能力譜法(CSM，ATC40)和非線性靜力法(NSP，F(xiàn)EMA273)做了較為詳細(xì)的介紹，針對(duì)其中的一些重要參數(shù)進(jìn)行了討論。 作為一種沒有嚴(yán)密理論基礎(chǔ)的抗震性能評(píng)價(jià)方法，push-over分析的準(zhǔn)確性(可行性)基本上取決于它的計(jì)算結(jié)果是否能與其它可靠的

4、方法所得到的結(jié)果一致或接近。在各種抗震試驗(yàn)中，振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)可以反映結(jié)構(gòu)在特定地震激勵(lì)下的動(dòng)力特性甚至破壞機(jī)理，因此被廣泛用于工程實(shí)踐和研究。本文利用一個(gè)模型試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)push-over方法進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)合云南省少數(shù)民族民居的現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)體系和施工技術(shù)改建，試驗(yàn)對(duì)象是改進(jìn)的整體預(yù)應(yīng)力裝配式板柱體系(IMS體系)。本文第二章首先介紹了這種結(jié)構(gòu)體系自1977年引入我國以來所進(jìn)行的主要研究工作，在此基礎(chǔ)上為研究IMS體系在動(dòng)、靜力荷載作

5、用下的動(dòng)力特性及承載能力，進(jìn)行了縮尺為1/2.7的模型試驗(yàn)。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行了桿系模型的彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析，其中，嘗試了一種新的鋼筋混凝土構(gòu)件非線性模型的模擬方法，即先用截面分析的方法得出鋼筋混凝土構(gòu)件的彎矩-曲率關(guān)系，然后將鋼筋混凝土構(gòu)件等效為由均質(zhì)材料構(gòu)成，通過引入某些假設(shè)將彎矩-曲率關(guān)系轉(zhuǎn)化為彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，從而間接地反映出構(gòu)件的恢復(fù)力特性。這種方法的好處在于可以利用一些通用的有限元軟件對(duì)鋼筋混凝土桿件進(jìn)行非線性分析。

6、結(jié)合本模型的需要，對(duì)地震波的選取、動(dòng)力方程數(shù)值求解等問題進(jìn)行了一些討論和分析。時(shí)程分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度基本令人滿意，可以作為后續(xù)分析的對(duì)照依據(jù)。在接下來的push-over分析中，為了進(jìn)一步深入掌握結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理和進(jìn)行研究探索，采用了實(shí)體模型，即采用空間實(shí)體單元模擬的混凝土和空間桿單元模擬的鋼筋來構(gòu)成桿件，并嘗試采用溫度應(yīng)力來模擬預(yù)應(yīng)力。這種方式比通常的桿單元模型復(fù)雜，但能夠較為細(xì)致地揭示構(gòu)件的破壞過程。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)和時(shí)程分析

7、的對(duì)比表明，上述方法在本模型中取得了成功。 從1997年開始的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的修訂過程中，push-over方法開始引起我國學(xué)者的注意，反映到了新規(guī)范的最終文本中，將其與彈塑性時(shí)程分析一起，推薦作為結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下進(jìn)行非線性分析的方法，命名為“靜力的非線性分析”或“推覆分析”。本文第三章以將push-over方法與我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范相結(jié)合為目的，介紹了目前國內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)所采用的各種反應(yīng)譜，并詳細(xì)地討論了實(shí)現(xiàn)push-ov

8、er分析所需的能力譜與需求譜的確定方法。在此基礎(chǔ)上，建議了一種基于我國建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜的方法，在一般情況下具有直觀簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)。最后也對(duì)目前的一些研究進(jìn)展作了介紹。 在歷次地震中，砌體結(jié)構(gòu)房屋的震損率都較高，其抗震計(jì)算方法通常僅采用強(qiáng)度控制?？紤]到這種結(jié)構(gòu)量大面廣，將基于性能、基于位移的設(shè)計(jì)思想加以應(yīng)用應(yīng)有重要的價(jià)值。由于材料本身的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變困難較大，但另一方面又具有與push-over適用范圍所要求的基本振型起控制

9、作用的特點(diǎn)。本文第四章所進(jìn)行的是這方面的基礎(chǔ)性的探索研究，首先介紹了砌體結(jié)構(gòu)有限元分析的基本情況，指出了采用基于勻質(zhì)化方法的等效體積單元(RVE)是一種具有研究前景的方法，其特點(diǎn)是首先采用較為細(xì)致的模型，研究具有代表性的砌體單元，掌握其在各種工作條件的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則，最終形成一種新的有限單元，用于實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析?？紤]到單獨(dú)的砂漿和實(shí)心塊材具有與素混凝土相似的力學(xué)特性，本文采用相對(duì)較為成熟的混凝土本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則來模擬砂漿和磚，根據(jù)

10、現(xiàn)有的資料對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行了推算，并進(jìn)行了抗拉、抗壓的非線性分析。從得到的結(jié)果看，作為一種新的考慮砌體材料的各向異性、拉壓異性等特點(diǎn)的方法，RVE具有一定的優(yōu)勢(shì)，它把砌體結(jié)構(gòu)的砂漿和塊材均考慮在其中，使砌體結(jié)構(gòu)的有限元分析可采用連續(xù)性模型，避開了離散性模型將砌體結(jié)構(gòu)中的砂漿和塊材分別考慮成不同單元的難點(diǎn)；它同時(shí)考慮了磚和砂漿的作用及其幾何拓?fù)湫畔ⅲ材芸s減計(jì)算規(guī)模。這種方法基本上能反映出磚和砂漿共同工作的受力破壞特征，數(shù)值結(jié)果基本吻合。對(duì)