结构动力分析的概念与体系探讨(二)

明华说钢构2019-01-15 13:49:02

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”。

结构规则性

这里简单介绍结构规则性问题。建筑结构规则性包括平面规则性和竖向规则性。规则性可通过相关计算参数的数值来定量判断,规范也有相关规定。


平面不规则包括扭转不规则、凹凸不规则、楼板平面不规则三种。其中,判断扭转规则性的重要指标是“周期比”和“位移比”。


竖向不规则包括楼层刚度突变、楼层承载力突变、竖向构件不连续等。与刚度比、楼层抗剪承载力比、剪重比(控制楼层最小地震剪力)等计算参数密切相关。


此外,结构整体稳定性,P-deta效应,还要考虑结构的刚重比。


以上几个比值问题,都需要一种“结构”的概念。


工程判断

前面说到,现在很多计算工作都可以通过软件来“一键式完成”,那么结构工程师是否就要面临下岗的危险?这时候,工程判断能力就显得很重要。一个复杂结构的计算结果出来,如何判断其计算结果是否合理?是否存在参数错误?是否需要改进结构方案?……这些问题软件很难很好完成,需要工程师的工程判断。


例如,一个高层住宅楼模型建好了,参数基本输入完成,一大堆计算结果也拿出来了,给你定性判断一下是否算错或不合理,那么应该如何入手?这首先显然需要大量工程经验的积累。


不少人一拿到结构的计算结果,就匆匆忙忙看软件得到的配筋图。我认为这种习惯不太好,最好还是遵循结构分析的基本步骤:


首先,看周期振型,定性判断结构的质量刚度分布以及结构体系是否合理。


其次,看结构在标准工况作用下的位移图,例如框架结构在水平荷载下一般为剪切型变形,剪力墙结构一般为完全型,框架-剪力墙结构一般为弯剪型,结构底部楼层剪力墙分配较多的抗侧力,而顶部楼层框架分担较多。


再次,结构构件的内力图,内力分布是否符合水平荷载和竖向荷载下的基本形态,数值是否偏大或偏小不合理。


最后才是看构件配筋图。由于构件配筋是根据内力包络图得到的,不能反映此构件内力究竟是受何种工况控制,所以这里又需要工程师的定性判断分析,从而考虑如何调整结构方案。


现在的结构体系越来越复杂,构件也成千上万,建筑材料也越来越丰富(钢筋混凝土、钢材、钢-混凝土组合材料等等),因此结构计算需要的信息量是十分巨大的,计算得到的数据也是非常庞大。如果没有注意培养结构概念和整体思维,面对这么庞大的后处理数据,必然无所适从。


其实,对于房屋建筑来讲,结构的概念很重要的一点就是“层”概念,即将房屋建筑分解为若干楼层,通过计算这些楼层的数据来帮助我们判断。例如工程上多采用的“糖葫芦串模型”、还例如层剪力、层位移、层位移角、位移比等等,这些概念都可以看成“层”概念。此外,结构的周期也是整体结构的一个重要参数。


想这样一个问题,如此之大的一个建筑结构,要通过一个参数来反映其特性,如何寻找这个参数并给予合适的定义?如果搞清楚了这个问题,那么离结构大师的水准就不太远了。


说到头来,还是一句话——结构概念和体系!


力学概念对土木工程而言的重要性是不言而喻的,特别是在现在越来越依赖软件实现结构分析和设计的时代,力学概念对于工程判断极其重要。


发现身边不少刚毕业的工程人员,越来越依赖软件计算,只懂得输入参数到软件里,而不懂得对计算结果进行判断,软件算出来啥样就啥样,这种后果我感觉有些不合适。说得严重一点,特别是现在年轻一代的工程人员,甚至退化到了连基本的构件内力和配筋计算方法都不熟悉的地步;例如一根简支梁在均布荷载下的跨中挠度,用结构力学“图乘法”计算,不少人都算不清楚甚至根本不会!到了配筋设计阶段,甚至连基本的单筋矩形截面配筋计算方法都不清楚;对于偏压构件的大小偏心的定义和判断方法也不清楚,甚至于大小偏压是什么都不明确!已经到了完全依赖软件的地步,比方要求算一个最基本的简支梁,就会不耐烦地说:“用PKPM建个模型算一下不就得了”。这种现象,后果如何?


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