施工技术
评估建筑结构抗震能力的静力弹塑性分析
余兴华 张 霞 袁 敏
1.河南工程学院土木工程学院，河南 郑州 451191 2.郑州雅居乐房地产开发有限公司，河南 郑州 451191
摘要：地震是一种危及人民生命财产安全、破坏性极大的突发性自然灾害。大的地震在瞬间就可以造成山崩地裂、河流改道、房屋倒塌、桥梁塌陷、堤坝溃决，给人民的生命财产造成严重危害，如08年四川大地震。本文就静力弹塑性的发展与优点和有待完善之处与大家一分析研究。
关键词：建筑结构；抗震设计；静力弹塑性；Pushover分析 中图分类号：TU352.11 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)42-0284-02
1
2
1
1 抗震结构设计理论发展概述
抗震结构设计理论其间经历了静力方法、反应谱理论和动力理论等几个阶段。
1.1 静力理论：
静力理论是发展最早的计算理论。假定结构物为绝对刚体，其任何一点的绝对加速度和地面运动的加速度相同，忽略结构自身的振动，是由经验直接得出的。
1.2 反应谱理论
反应谱理论是以单质点弹性体系在实际地震作用过程中的反应为基础来进行结构反应分析的。这个理论首先要求从现有的地震记录中寻找有代表意义的标准反应谱其次要求了解结构的自振特性，包括周期、振型和阻尼等再次要求解决各阶振型反应的求解及各阶振型反应的组合问题等。
1.3 动力理论
在计算分析结构的地震反应时，将地震动视为一个时间过程，把结构简化为单自由度体系或多自由度体系，结构的受力和变形的关系恢复力特性可由试验取得，根据结构的惯性力、阻尼力和恢复力的平衡关系可建立动力平衡方程，求解微分方程得到各个时刻的地震反应。
2 静力弹塑性分析方法的优点
（1）可以了解结构在水平荷载作用下每个构件的受力变化情况，观察到构件由弹性阶段到开裂直至承载力丧失的全过程，检查是否符合强柱弱梁或(强剪弱弯)，并能发现设计中的薄弱部位。
（2）可以得到不同受力阶段的侧移变形、基底剪力一顶点位移关系曲线以及层间剪力一层间位移关系曲线即能力曲线，后者可以作为各楼层的层间剪力一层间位移骨架曲线，它是进行层间剪切型弹塑性时程分析所必需的参数，只要结构一定(尺寸、材料)，其结果不受地震波的影响，而是与初始楼层水平荷载的分布形式有关。
（3）可以判断结构的抗震承载能力，能力曲线从总体上反映了结构对于侧向荷载的抵抗能力，若地震作用的强度超过了结构的抵抗能力，则需要对结构进行加固或修改设计。
（4）确定结构在不同抗震设防等级下的目标位移，在基于性能位移的抗震设计中，确定目标位移是设计的关键，用静力弹塑性分析方法来确定结构目标位移比用弹塑性时程分析方法简单，比弹性静力分析方法准确，在现阶段是可284 2015年42期
行的。
（5）保证结构构件具有足够的变形能力，由静力弹塑性分析可以得到结构达到目标位移时构件弹塑性变形的大小，从而可以了解对构件塑性铰的约束要求。
（6）由于水平力的大小可以根据结构在不同阶段的周期由设计反应谱来求得，而水平力的分布则可以根据振型变化求得，因而比弹性分析更能反映结构实际的地震反应。
3 静力弹塑性分析方法的有待完善之处 （1）该方法的理论基础不严密。
（2）该方法将结构抵抗侧向荷载能力与具体的地震要求分开，但许多研究表明结构能力与具体地震要求之间是有着很密切关系的，认为结构抵抗侧向荷载能力固定不变是不确切的。
（3）该方法仅以结构的侧向变形为标准来判断结构的破坏，而将其他因素如地震作用持续时间、能力耗散的积累等忽略不计，通常认为，结构的破坏、结构的变形和能量耗散都有关系。
（4）该方法是一种静力分析方法，没有考虑结构的动力特性，在地震作用下，结构的弹塑性屈服行为可以用动力平衡方程来描述，如果是考虑推覆过程中应力能力的话，那么将得出动力能量可以忽略不计的错误结论。
（5）目前将该方法应用于平面分析己没有什么困难，但如何应用于三维结构分析则还有不小的难度，例如，如何确定某一方向作为控制方向来进行Pushover分析，以及如何考虑两个方向的扭转效应等。
（6）该方法仅用两个参数即基底剪力和顶点位移来描述结构的整体行为，这
也过于简单。
（7）该方法是一种近似的方法，因此它不可能精确的描述结构的动力特性，特别是当结构受高阶振型影响较大时，该方法与按弹塑性动力时程分析得到的结果可能相差很大。
（8）形状向量﹛﹜对静力弹塑性Pushover分析方法的影响，结构目标位移取决于一开始假定的形状向量﹛﹜的选择，而形状向量秘的选择目前还只是凭经验，一般可以取结构的第一阶振型形状向量或倒三角形分布向量，或者用达到目标位移时结构的变形形状向量。
（9）静力弹塑性Pushover分析方法的另一个不足之处是水平荷载分布模式的选择，水平荷载分布模式的选择将直接影响Pushover分析方法对结构抗震性能的评估结果。
（10）下降阶段负刚度的处理，用混凝土应力一应变关系计算结构构件截面的弯矩一曲率关系，通过弯矩一曲率关系计算结构基底剪力一顶点位移、层间剪力一层间位移关系时，都会遇到力达到最大后下降的负刚度问题。
（11）对于具有多种可能破坏形式的结构来说，用静力弹塑性分析方法只能够得到其中的一种破坏形式。
（12）很难考虑高阶振型的影响，在FEMA274中建议当高阶振型的影响显著时，可以借助弹塑性动力时程分析来确定Pushover分析的侧向荷载分布方式。
（13）对于剪力墙结构的Pushover分析是该方法的另一个薄弱环节。无论侧向荷载分布模式如何变化，
Pushover
施工技术
评估建筑结构抗震能力的静力弹塑性分析
余兴华 张 霞 袁 敏
1.河南工程学院土木工程学院，河南 郑州 451191 2.郑州雅居乐房地产开发有限公司，河南 郑州 451191
摘要：地震是一种危及人民生命财产安全、破坏性极大的突发性自然灾害。大的地震在瞬间就可以造成山崩地裂、河流改道、房屋倒塌、桥梁塌陷、堤坝溃决，给人民的生命财产造成严重危害，如08年四川大地震。本文就静力弹塑性的发展与优点和有待完善之处与大家一分析研究。
关键词：建筑结构；抗震设计；静力弹塑性；Pushover分析 中图分类号：TU352.11 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)42-0284-02
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1 抗震结构设计理论发展概述
抗震结构设计理论其间经历了静力方法、反应谱理论和动力理论等几个阶段。
1.1 静力理论：
静力理论是发展最早的计算理论。假定结构物为绝对刚体，其任何一点的绝对加速度和地面运动的加速度相同，忽略结构自身的振动，是由经验直接得出的。
1.2 反应谱理论
反应谱理论是以单质点弹性体系在实际地震作用过程中的反应为基础来进行结构反应分析的。这个理论首先要求从现有的地震记录中寻找有代表意义的标准反应谱其次要求了解结构的自振特性，包括周期、振型和阻尼等再次要求解决各阶振型反应的求解及各阶振型反应的组合问题等。
1.3 动力理论
在计算分析结构的地震反应时，将地震动视为一个时间过程，把结构简化为单自由度体系或多自由度体系，结构的受力和变形的关系恢复力特性可由试验取得，根据结构的惯性力、阻尼力和恢复力的平衡关系可建立动力平衡方程，求解微分方程得到各个时刻的地震反应。
2 静力弹塑性分析方法的优点
（1）可以了解结构在水平荷载作用下每个构件的受力变化情况，观察到构件由弹性阶段到开裂直至承载力丧失的全过程，检查是否符合强柱弱梁或(强剪弱弯)，并能发现设计中的薄弱部位。
（2）可以得到不同受力阶段的侧移变形、基底剪力一顶点位移关系曲线以及层间剪力一层间位移关系曲线即能力曲线，后者可以作为各楼层的层间剪力一层间位移骨架曲线，它是进行层间剪切型弹塑性时程分析所必需的参数，只要结构一定(尺寸、材料)，其结果不受地震波的影响，而是与初始楼层水平荷载的分布形式有关。
（3）可以判断结构的抗震承载能力，能力曲线从总体上反映了结构对于侧向荷载的抵抗能力，若地震作用的强度超过了结构的抵抗能力，则需要对结构进行加固或修改设计。
（4）确定结构在不同抗震设防等级下的目标位移，在基于性能位移的抗震设计中，确定目标位移是设计的关键，用静力弹塑性分析方法来确定结构目标位移比用弹塑性时程分析方法简单，比弹性静力分析方法准确，在现阶段是可284 2015年42期
行的。
（5）保证结构构件具有足够的变形能力，由静力弹塑性分析可以得到结构达到目标位移时构件弹塑性变形的大小，从而可以了解对构件塑性铰的约束要求。
（6）由于水平力的大小可以根据结构在不同阶段的周期由设计反应谱来求得，而水平力的分布则可以根据振型变化求得，因而比弹性分析更能反映结构实际的地震反应。
3 静力弹塑性分析方法的有待完善之处 （1）该方法的理论基础不严密。
（2）该方法将结构抵抗侧向荷载能力与具体的地震要求分开，但许多研究表明结构能力与具体地震要求之间是有着很密切关系的，认为结构抵抗侧向荷载能力固定不变是不确切的。
（3）该方法仅以结构的侧向变形为标准来判断结构的破坏，而将其他因素如地震作用持续时间、能力耗散的积累等忽略不计，通常认为，结构的破坏、结构的变形和能量耗散都有关系。
（4）该方法是一种静力分析方法，没有考虑结构的动力特性，在地震作用下，结构的弹塑性屈服行为可以用动力平衡方程来描述，如果是考虑推覆过程中应力能力的话，那么将得出动力能量可以忽略不计的错误结论。
（5）目前将该方法应用于平面分析己没有什么困难，但如何应用于三维结构分析则还有不小的难度，例如，如何确定某一方向作为控制方向来进行Pushover分析，以及如何考虑两个方向的扭转效应等。
（6）该方法仅用两个参数即基底剪力和顶点位移来描述结构的整体行为，这
也过于简单。
（7）该方法是一种近似的方法，因此它不可能精确的描述结构的动力特性，特别是当结构受高阶振型影响较大时，该方法与按弹塑性动力时程分析得到的结果可能相差很大。
（8）形状向量﹛﹜对静力弹塑性Pushover分析方法的影响，结构目标位移取决于一开始假定的形状向量﹛﹜的选择，而形状向量秘的选择目前还只是凭经验，一般可以取结构的第一阶振型形状向量或倒三角形分布向量，或者用达到目标位移时结构的变形形状向量。
（9）静力弹塑性Pushover分析方法的另一个不足之处是水平荷载分布模式的选择，水平荷载分布模式的选择将直接影响Pushover分析方法对结构抗震性能的评估结果。
（10）下降阶段负刚度的处理，用混凝土应力一应变关系计算结构构件截面的弯矩一曲率关系，通过弯矩一曲率关系计算结构基底剪力一顶点位移、层间剪力一层间位移关系时，都会遇到力达到最大后下降的负刚度问题。
（11）对于具有多种可能破坏形式的结构来说，用静力弹塑性分析方法只能够得到其中的一种破坏形式。
（12）很难考虑高阶振型的影响，在FEMA274中建议当高阶振型的影响显著时，可以借助弹塑性动力时程分析来确定Pushover分析的侧向荷载分布方式。
（13）对于剪力墙结构的Pushover分析是该方法的另一个薄弱环节。无论侧向荷载分布模式如何变化，
Pushover