二阶弹塑性分析在钢结构抗震设计中的应用研究

摘要

随着社会的进步及科学技术的发展，国内涌现出大批量以钢结构体系为代表的建筑。然而我国又是一个地震多发的国家，地震作用的随机性及破坏性难以把握，尤其是具有柔性特点的钢结构建筑进入塑性状态以后，很难准确判断结构构件由于不足以承受塑性变形而出现的倒塌破坏情况。基于承载力设计的－阶弹性分析，不考虑结构的变形过程、外力与结构的相互作用，因此不能真实地反应结构的受力情况。对于杆件较多、形体较为复杂的结构体系进行二阶弹塑性分析有重要的意义。本文根据我国规范提出的“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准要求，对工程模型进行考虑二阶效应和不考虑二阶效应弹性和弹塑性分析，并初步评估结构的抗震性能，为模型的设计优化提供了一定的参考依据。
　　 本文首先介绍了国内外钢结构建筑的发展概况及钢结构体系的优点、结构抗震设计的基本要求、抗震设计目标及几种分析方法。详细探讨了动力时程分析方法的基本原理、分析步骤、结构振动模型和恢复力模型以及振动方程的建立和求解方法。针对弹塑性静力分析方法的基本理论、实施的步骤、加载方式，目标位移的确定等方面的内容也做了详细的阐述，并对二阶P-△效应的基本概念、产生的原因及几种计算方法进行了归纳总结。
　　 其次采用PKPM计算软件按照考虑二阶P-△效应和不考虑二阶P-△效应对钢框架支撑模型进行振型分解反应谱法分析、弹性时程分析、弹塑性时程分析、弹塑性静力分析。
　　 最后针对分析结果进行了初步的评估。分析结果表明结构在X方向和Y方向能够满足抗震设防要求，弹性阶段考虑P-△效应和不考虑二阶P-△效应分析结果相差不超过5％，对结构分析影响不大。在弹塑性时程分析时，考虑和不考虑P-△效应分析结果相差超过了5％，对地震的影响不容忽视，本文认为弹塑性时程分析必须考虑P-△效应的影响。抗倒塌验算结果表明结构层间位移曲线能够穿越多遇和罕遇地震反应谱，并且有抗震富余，在结构设计方面过于保守，构件有优化的空间，在满足结构抗震性能要求的前提下可以适当减小结构构件横截面面积，从而减少材料的浪费，节约成本。