结构时程分析

时程分析是结构抗震分析较为高端的一种分析方法。其实质是将实际地震时测得的地震加速度数据输入结构,根据结构动力学方程,通过数值方法求解结构的地震响应。由于地震加速度随时间是剧烈变化的,因此按这种方法得到的结构响应也将与时间有关,故称时程分析。

时程分析分为线弹性时程分析和弹塑性时程分析两种,其区别在于前者仅考虑材料的线弹性性质,而后者考虑材料的弹塑性性质。

这里必须明确一个概念:材料弹塑性性质→构件弹塑性性质→结构弹塑性性质。

这三个概念是不同的。

材料弹塑性属于弹塑性力学研究对象,工程上直接应用弹塑性力学的理论方法还比较困难,例如应力空间,屈服曲面,三参数强化法则,五参数强化法则,随动强化,等向强化,流动法则,这些概念对于不少工程师来讲估计挺头疼的。究其原因,一是对数学和力学的要求较高,二是这些复杂的力学理论也不便于工程使用。不过无论如何,力学是整个土木工程的基石,良好的力学功底对于结构工程师来讲还是相当重要的。构件弹塑性现多建立在塑性铰理论基础上,例如杆件在外加力作用下进入弹塑性后在杆件的端部产生塑性铰。结构弹塑性性质则是构件弹塑性性质的宏观反应。

静力弹塑性分析:也称Pushover分析、推覆分析。结构在假定的水平力分布下,沿水平方向不断施加单向推覆力,直到结构构件产生足够多的塑性铰而形成机构发生结构整体破坏。简单通俗地说,就是不断施加外力,把结构给推倒了为止。推覆过程中关心的几个关键点包括:结构线弹性点、结构屈服点、结构性能点、结构承载力点。注意这些点都是针对结构整体受力特性而言。然而,静力弹塑性分析的假定是存在缺陷的:其一是采用假定的地震力分布模式,其二是单向加载而不是像真实地震作用那样往复加载。所以,由静力弹塑性分析得到的计算结果不一定能够真实地放映结构的实际受力状态。

动力弹塑性分析:这种方法与静力弹塑性分析方法的不同之处在于,直接将地震加速度波输入结构计算结构的弹塑性地震响应,其弹塑性性质一般也基于塑性铰理论。这种分析方法更接近实际情况,因此更准确些。当然这种分析方法对工程人员的理论要求较高,而且较耗费计算机资源。现在仅在少数大型重要复杂工程中有所应用,当然也仅是少数水平较高设计院的“专利”。

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时程分析
理论上时程分析是最准确的结构地震响应分析方法,但是由于其分析的复杂性,且地震波的随机性,因此一般只是把它作为反应谱的验证方法而不是直接的设计方法使用。高规规定:
3 7~9度抗震设防的高层建筑,下列情况应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算:
1)甲类高层建筑结构;
2)表3.3.4所列的乙、丙类高层建筑结构;
3)不满足本规程第4.4.2~4.4.5条规定的高层建筑结构;
4)本规程第10章规定的复杂高层建筑结构;
5)质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构。
3.3.5 按本规程第3.3.4条规定进行动力时程分析时,应符合下列要求:
1 应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线,其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符,且弹性时程分析时,每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%,多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。
2 地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的3~4倍,也不宜少于12s,地震波的时间间距可取0.01s或0.02s;

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