Push-over方法的理論與應(yīng)用.pdf

1、地震是對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。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，同時保證財產(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)計的抗震性能，幫助業(yè)主和設(shè)計者選擇和實現(xiàn)針對各種建設(shè)項目的不同的性能水平。基于性能的抗震設(shè)計的實現(xiàn)方法主要體現(xiàn)為基于位移的設(shè)計，而初衷是建立一種大震下結(jié)構(gòu)抗震性能的快速評估途徑的push-over(推覆、推倒)方法，因為具有簡便、直觀、信息豐富的特點，隨著90年代以后基于位移和基于性能的抗震設(shè)計等概念的提出

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)的抗震性能評價方法，push-over分析的準(zhǔn)確性(可行性)基本上取決于它的計算結(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。在各種抗震試驗中，振動臺模型試驗可以反映結(jié)構(gòu)在特定地震激勵下的動力特性甚至破壞機理，因此被廣泛用于工程實踐和研究。本文利用一個模型試驗的結(jié)果，對push-over方法進(jìn)行了對比研究。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，試驗對象是改進(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、靜力荷載作

5、用下的動力特性及承載能力，進(jìn)行了縮尺為1/2.7的模型試驗。結(jié)合試驗結(jié)果，進(jìn)行了桿系模型的彈塑性動力時程分析，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，對地震波的選取、動力方程數(shù)值求解等問題進(jìn)行了一些討論和分析。時程分析的結(jié)果與實驗數(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)的工作機理和進(jìn)行研究探索，采用了實體模型，即采用空間實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。計算結(jié)果與實驗和時程分析

7、的對比表明，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)計規(guī)范相結(jié)合為目的，介紹了目前國內(nèi)外抗震設(shè)計所采用的各種反應(yīng)譜，并詳細(xì)地討論了實現(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)計規(guī)范反應(yīng)譜的方法，在一般情況下具有直觀簡潔的特點。最后也對目前的一些研究進(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，其抗震計算方法通常僅采用強度控制?？紤]到這種結(jié)構(gòu)量大面廣，將基于性能、基于位移的設(shè)計思想加以應(yīng)用應(yīng)有重要的價值。由于材料本身的特點，實現(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。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，用于實際結(jié)構(gòu)的分析?？紤]到單獨的砂漿和實心塊材具有與素混凝土相似的力學(xué)特性，本文采用相對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、拉壓異性等特點的方法，RVE具有一定的優(yōu)勢，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；它同時考慮了磚和砂漿的作用及其幾何拓?fù)湫畔ⅲ材芸s減計算規(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