PUSH和EPDA

弹塑性分析软件PUSH和EPDA黄吉锋中国建筑科学研究院目录1弹塑性分析的目的2抗震规范的若干规定3简化弹塑性分析方法介绍4静力弹塑性分析方法及PUSH软件介绍5动力弹塑性分析方法及EPDA软件介绍6静、动力方法各自的局限性和二者之间的互补性7PUSH和EPDA接力SATWE/PMSAP的共同接口/钢筋修改8PUSH参数定义菜单的使用9查看PUSH结果输出（文本/图形）10EPDA参数定义菜单的使用11查看EPDA结果输出（文本/图形）12弹塑性分析的工程实例13PUSH程序的例题考证14EPDA程序的例题考证弹塑性分析的目的1.进行大震下的弹塑性变形验算（主要为层间位移角），确保结构大震不倒。2.了解结构在地震作用下构件出现塑性铰的位置和次序；判断薄弱层位置；从而有针对性地对结构进行加强、调整以及采取相应的构造措施。抗震规范的若干规定[3.4.4条]竖向不规则结构应进行弹塑性变形分析（刚度比/承载力比/转换）[3.6.2条]弹塑性分析可以根据具体情况采用弹塑性（静力、时程、简化）三种方法之一[5.5.2条]何种结构应或宜做弹塑性变形验算[5.5.3条]各种结构应采用的计算模型（弯剪层模型/平面杆系/空间模型）和分析方法（静力/时程/简化）[5.5.4条]弹塑性分析的简化方法（计算楼层屈服强度系数k=楼层剪力承载力/弹性大震层间剪力；根据k判断薄弱层位置的方法；根据k查表确定弹塑性层间位移增大系数r，计算弹塑性层间位移up=r*ue）[5.5.5条]规定弹塑性层间位移角限值（轴压比0.4,可提高10%；箍筋构造超过最小配箍特征值30%，可提高20%；但累计提高不超过25%）抗震规范的若干规定[5.5.2]应进行弹塑性变形验算的结构18度3、4类场地和9度时高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架27-9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构3高度大于150m的钢结构4甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构5采用隔震和消能减震设计的结构抗震规范的若干规定[5.5.2]宜进行弹塑性变形验算的结构1表5.1.2-1所列高度范围且属于表3.4.3-2所列竖向不规则类型的高层建筑结构27度3、4类场地和8度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构3板柱-抗震墙结构和底部框架砖房4高度不大于150m的高层钢结构5不规则的地下建筑结构和地下空间综合体简化弹塑性分析方法1计算楼层屈服强度系数k=楼层剪力承载力Qy/弹性大震层间剪力Qe；2根据k判断薄弱层位置的方法k均匀时取底层；否则取k最小的2-3个楼层；3根据k查表确定弹塑性层间位移增大系数r，计算大震弹塑性层间位移up=r*ue,ue为大震弹性层间位移。a仅适用于12层以下规则砼框架和单层砼厂房b计算方法基于简单的剪切型理想弹塑性楼层本构关系，弹塑性层间位移的数值及对薄弱层的判别均较粗略静力弹塑性分析方法及PUSH软件一.静力Pushover方法要点1.采用一定的侧向荷载形式，对结构作Step-By-Step的增量加载弹塑性分析,得到结构反应的全过程2.基于结构的全过程静力弹塑性反应，采用能力谱方法，确定结构的性能点，从而确定需求位移等与性能点对应的反应，验算弹塑性变形3.根据结构的全过程静力弹塑性反应，了解构件出现塑性铰的次序，判断薄弱层所在的位置，从而有针对性地对结构进行加强、调整以及采取相应的构造措施。静力弹塑性分析方法示意图二.PUSH程序的有限元模型PUSH是一个完全三维的有限元空间弹塑性静力分析程序：弹塑性梁（柱）单元采用标准的有限元方法（所谓的微观方法）构造。单元切线刚度直接基于混凝土材料微元和钢筋材料微元的本构关系。这种模型一般称为纤维束模型。弹塑性墙元面内刚度的力学模型采用平面应力膜，并可以考虑开洞。与梁柱元一样它的单元切线刚度也直接基于混凝土材料微元和钢筋材料微元的本构关系。“纤维束”模型的梁/柱/支撑单元示意墙元的面外刚度相对次要，为了节省计算，我们用简化的弹塑性板元进行考虑。混凝土材料的本构关系采用SAENZ曲线模拟，并考虑了其中的下降段。钢筋的本构关系采用理想弹塑性模型，在实际计算中，为了保证计算的稳定性，对塑流段也给予一个微小斜率。开洞剪力墙混凝土部分壳单元分布钢筋壳单元主筋纤维束三.PUSH程序的求解方案对结构作PUSH-OVER分析，在很多情况下需要：1求出结构的性点及相应反应2求出结构的极限荷载及相应反应3对结构在极限状态后的反应性质进行了解，以确定结构的破坏形式是属于延性破坏还是脆性破坏对于要求2、3，采用通常的荷载增量法很难做到。为了能够较准确地求出结构的极限荷载并追踪结构位移荷载曲线的下降段，我们采用了弧长控制方法，并在具体的弧长方案和走步控制中，尤其是在极值点附近，利用了新的研究成果。对于每个增量步中的迭代方案，程序提供了如下两种方式：1修正的牛顿—拉夫逊迭代（MNR）2完全的牛顿—拉夫逊迭代（FNR）从收敛性方面考虑，推荐选用FNR，而非MNR。迭代过程中线性方程组的求解可选用波前法VSS，PCG三者之一，通常VSS效率最高程序对过程数据采用内存缓冲处理，计算机内存越大，计算速度越快。建议至少配置2G内存。四.PUSH软件加载过程整个的加载过程包括两大步：第一步：增量施加竖向的静力荷载第二步：增量施加侧推荷载对于竖向静力荷载的施加，一般的PUSH-OVER分析程序（比如SCM3D）是通过线弹性静力分析粗略确定结构内力，然后把这个弹性内力作为侧推分析的初应力来处理。为了保证分析的精度，在本程序中，静力荷载和侧推荷载均采用STEP-BY-STEP的非线性分析。五.PUSH软件侧推荷载的形式对于侧推荷载的形式，目前程序中提供了4种方式供用户选择：1倒三角形侧推荷载2矩形侧推荷载3实时模式4弹性CQC地震作用倒三角形荷载和矩形荷载可以近似认为分别对应于结构在弹性阶段和临近破坏阶段的一阶侧向振型；实时模式随着结构动力特性的改变实时改变加载模式；弹性CQC地震作用试图反映高振型效应。六.PUSH程序的适用范围PUSH程序适用于多层或者高层建筑结构的静力弹塑性分析，分析对象具体可以是：1钢筋混凝土结构（框架、框剪和剪力墙）2钢结构3钢-混凝土混合结构目前程序中的截面类型包括矩形、圆形、圆环形、工字形和所有能由工字型退化得到的截面形式。七.PUSH程序使用事项本程序接力空间有限元弹性设计软件SATWE和PMSAP。大体的使用步骤是：1在PMCAD或SPASCAD中输入结构的计算模型2用SATWE或者PMSAP程序计算结构内力和配筋3运行PUSH程序做弹塑性静力分析具体说来：pmcad-satwe-pushpmcad-pmsap-pushspascad-pmsap-push八.PUSH程序的输出结果1结构中任意节点的位移-荷载曲线2各楼层质心点的位移-荷载曲线3各楼层的层间变形-层间剪力曲线4不同增量步的杆端塑性铰分布5结构的抗倒塌验算图,确定性能点6各加载步构件内力7剪力墙和框架的剪力、弯矩分配由此可以判定薄弱层位置，各杆件的破坏位置和顺序，应力和塑性变形的集中部位，验算弹塑性变形，甚至确定结构的破坏荷载和破坏类型等。一.动力弹塑性方法要点1.选出满足规范要求的两条天然波及1条人工波2.采用每条地震波，对结构做弹塑性时程分析，得到结构反应的时间历程3.取各波最大层间位移的包络值验算弹塑性变形；根据各波的结构反应历程，了解构件塑性铰出现位置和次序，判断薄弱层位置，从而有针对性地对结构进行加强、调整以及采取相应的构造措施。4.若选7条波，则可考察平均值动力弹塑性分析方法及EPDA软件动力弹塑性分析方法示意图二.EPDA程序的有限元模型EPDA是一个完全三维的有限元空间弹塑性时程分析程序：弹塑性梁（柱）单元采用标准的有限元方法（所谓的微观方法）构造。单元切线刚度直接基于混凝土材料微元和钢筋材料微元的本构关系。弹塑性墙元面内刚度的力学模型采用平面应力膜，并可以考虑开洞。与梁柱元一样它的单元切线刚度也直接基于混凝土材料微元和钢筋材料微元的本构关系。墙元的面外刚度相对次要，为了节省计算，我们用简化的弹塑性板元进行考虑。混凝土材料的本构关系包含双线性和三线性两种可选的滞回模型，且相应的骨架曲线均可考虑下降段。考虑了砼受拉开裂后承载力的消失以及受压时承载力的恢复；当受压超过极限压应变，砼压碎退出工作。双线性模型骨架曲线可干预。钢筋的本构关系采用双线性滞回模型，骨架曲线可干预。同时提供“纤维束”和“塑性铰”梁、柱、支撑单元塑性铰弹性梁塑性铰纤维束单元塑性铰单元开洞弹塑性剪力墙宏单元开洞剪力墙混凝土部分壳单元分布钢筋壳单元主筋纤维束三.EPDA程序的求解方案1动力方程的积分采用Wilson-Thita或Newmark-Beta法,可选择。2采用Newton-Raphson迭代对每一时间步做平衡校正3线性方程组的解法采用了预处理共轭梯度法(PCG),该求解器的效率可达到常规LDLT求解器的几十倍，使得大型、超大型结构的三维有限元动力弹塑性分析成为现实。对中等规模的结构，一般可在数小时内完成一次完整的弹塑性时程分析。四.EPDA程序的适用范围EPDA程序适用于多层或者高层建筑结构的动力弹塑性分析，分析对象具体可以是：1钢筋混凝土结构（框架、框剪和剪力墙）2钢结构3钢-混凝土混合结构目前程序中的截面类型包括矩形、圆形、圆环形、工字形，槽型和双工字型等截面形式。五.EPDA程序使用事项本程序接力空间有限元弹性设计软件SATWE和PMSAP。大体的使用步骤是：1在PMCAD中输入结构的计算模型2用SATWE或者PMSAP程序计算结构内力和配筋3运行EPDA程序做弹塑性动力分析六.EPDA程序的输出结果由此可以判定薄弱层位置，各杆件的破坏位置和顺序，应力和塑性变形的集中部位，验算弹塑性变形。静、动力方法各自的局限性及二者之间的互补性A.在进行弹塑性变形验算、通过pushover方法或时程分析方法计算结构楼层性能位移角时，这两种方法均存在局限性：PUSHOVER局限性：高柔结构，高阶振型贡献较大时，能力谱方法中的“第一振型控制”假设误差较大；动力时程局限性：地震波离散性较大，为了获得统计意义下较可靠的层间位移，需要计算较多的地震波；3条地震波可能是不够的。建议：对同一工程，宜综合参考两种方法的结果B.在判断结构薄弱楼层方面，两种方法均有较好的参考价值PUSH/EPDA接力SAWE/PMSAP的共同接口接口satwe/pmsap生成非线性计算模型并查看对计算配筋进行修改配筋修改的交互界面隔震支座补充定义减震阻尼器补充定义PUSH参数定义菜单的使用PUSH结果查看结果输出示例工程实例：某62层超高层建筑，用PUSH分析得到需求点，约需3小时，PUSH具有很高的计算效率PUSH给出的节点荷载位移曲线PUSH给出的楼层本构曲线PUSH给出的楼层侧移曲线判断结构变形形式弯曲？剪切？剪弯？PUSH给出的楼层位移角曲线判断薄弱楼层PUSH给出的楼层有害位移角曲线判断薄弱楼层PUSH的精细剖分计算模型PUSH给出的性能点构件破坏图：判断薄弱部位杆端铰墙梁钢筋屈服墙元整体破坏墙体钢筋屈服墙体高斯点破坏PUSH的抗倒塌验算(ATC40能力谱方法)验算大震下的弹塑性变形！EPDA参数定义菜单的使用EPDA结果查看EPDA结果查看“规范”要求的层间位移角输出全楼、分层、切片、三维、动画等方式显示结果实现SATWE、PMSAP无法实现的罕遇地震性能设计显示“塑性铰”和“剪力墙裂缝”等“薄弱构件”情况弹塑性分析工程实例1弹塑性分析并非高不可攀，可以简单易用2近几年每年几十个的实际工程应用3用户反应良好，一旦掌握，反复使用实例一、五棵松体育场（2008奥运会篮球馆）实例二、2008奥运会国家主体育场看台实例三、2008奥运会国家主体育场罩棚（鸟巢）实例四、天津诚基中心大体量超高层混凝土结构实例五、CCTV新址实例六、隔震结构分析通过隔震单元的隔震作用，显著降低罕遇地震下结构响应实例七长安中心公寓楼实例八、某高层钢结构PUSH的数值验证和实验验证•与ABAQUS比较•与静力推覆