维普资讯 http://www.cqvip.com 第３３卷第２４期 西 建 筑 Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．２４ ・６・ ２ ０ ０ ７年８月 山 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥ ＵＲＩ Ａｕｇ．２００７ 文章编号：１００９．６８２５（２００７）２４．０００６—０２ 高层建筑结构静力弹塑性分析方法的研究改进 王玉金董宏英 郭建涛 摘要：主要就目前高层建筑结构弹塑性分析方法的研究现状进行了探讨，介绍了高层建筑结构静力弹塑性分析方法的 计算软件，提出了静力弹塑性分析方法的改进意见，以推广Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法的应用，从而促进高层建筑结构的发展。 关键词：高层建筑，结构，静力，弹塑性分析 中图分类号：ＴＵ３１３ 文献标识码：Ａ 近年来，国内外的抗震规范逐渐由基于力的抗震设计思想转 对于高阶振型影响较大的高层建筑结构，这种加载模式Ｐｕｓｈｏｖｅｒ 移到基于位移（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ—Ｂａｓｅｄ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ，又称ＤＢＳＤ）的 分析结果偏差较大。ＦＥＭＡ ２７３中对Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法的应用 抗震设计思想中来。静力弹塑性分析即Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法，作为 范围作了明确的，规定对于高阶振型影响较大的高层建筑结 一种非线性静力弹塑性分析方法，相对于时程分析方法更简单， 构，不宜单独应用Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法；如果应用Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方 能大大简化设计工作及能够清晰地反映结构在强震作用下各方 法，必须要对高层建筑结构进行动力弹性分析，并由此按照有关 面的性能等优点，近年来在国内外得到广泛的应用和发展。美国 条款修正Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析结果。 的ＡＴＣ－４０，ＦＥＭＡ２７３／２７４，日本、韩国等国家的规范已经将其纳 ２００２年，Ｃｈｏｐｒａ提出了振型静力弹塑性分析方法（Ｍｏｄａｌ 入其中。 Ｐｕｓｈ ｏｖｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ。即ＭＰＡ）。ＭＰＡ方法适用于包括高层建筑在 Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析一般是在结构上施加某种形式的侧向荷载，荷 内的各种结构的侧推分析，是一种工作量与传统Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方 载强度逐级增加，按顺序计算结构反应并记录每级加载下开裂、 法相当而又简便的方法。ＦＥＭＡ ２７３推荐了两种目标位移计算 屈服、塑性铰形成以及各种结构构件的破坏行为，并根据抗震需 方法。 求对结构抗震性能进行评估。Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法是实现基于性 １）位移影响系数法，这种方法是在大量计算分析结果的基础 能／位移的抗震设计的主要途径。 上统计得到的经验计算公式； 目前世界各国在高层建筑结构的抗震设计中，大部分采用简 ２）能力谱方法，ＡＴＣ ４０详细介绍了这种方法的基本原理与 便并且易于计算的弹性分析方法，如底部剪力法、振型分解反应 计算过程。 谱法和弹性时程分析法。然而。这些分析方法不能保证结构在大 这两种方法都涉及到如何将计算模型从多自由度（ＭＤ０Ｆ） 震作用下仍处于弹性状态，因此，我国新的抗震规范将Ｐｕｓｈｏｖｅｒ 等代为等效的单自由度问题（ＳＤＯＦ），一定程度上难以准确反应 方法和动力弹塑性方法列为罕遇地震下高层建筑结构抗震变形 高阶振型的影响。ＦＥＭＡ ２７４也提出了一种结构目标位移的计 验算的基本方法。 算方法。２００４年，卢文生等应用模态静力非线性分析方法对多个 １ 高层建筑结构平面静力弹塑性分析方法 算例进行静力非线性分析，比较分析了不同振型组合对计算精度 Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法目前的研究主要集中在水平侧向荷载加 的影响。２００６年，沈蒲生等在已有的研究基础上通过考虑多阶振 载模式、目标位移、可靠性分析及计算原理等方面。在水平侧向 型质量积的水平力分布形式下的推覆分析，将结构推至每阶振型 荷载加载模式方面，很多学者一直致力于该方面研究。 下的目标位移，采用ＳＲＳＳ组合的方式得到结构的响应，并且对某 １９９４年，Ｌａｗｓｏｎ等人对２层，５层，１０层，１５层的框架分别用 １２层外钢框架一内混凝土核芯筒混合结构进行Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析， 均布侧向荷载、组合振型加载、ＵＢＳ设计荷载模式，研究了这三种 与非线性动力时程分析所得的结果进行了对比。 荷载模式的可靠性。１９９６年，Ｖ￣ｌｅｓ和Ｒｅｉｎｈｏｍ对４层框架分别 对目标位移的计算一直在进行进一步的研究，如杨溥（２０００ 施加均布侧向荷载模式、倒三角形荷载模式、幂级数荷载模式及 年），Ｆａｅｌｌａ（１９９６年）等。Ｆａｅｌｌａ指出，Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析的目标位移大 自适应荷载模式，分析对比了Ｐｕｓｈｏｖｅｒ的结果。 于设计地震动下动力弹塑性分析得到的结构位移时，两种方法得 ２０００年，杨溥，Ｐｅｔｅｒ，Ｍｏｇｈａｄａｍ，Ｒｅｑｕｅｎａ，Ｋｉｍ，ＷＭｙ等人都 到的塑性铰、层间位移和柱子损伤才较为吻合。其主要原因在于 曾做过这方面的研究。 动力弹塑性分析的地震动荷载有正有负，而Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析是单调 ２００４年，侯爽等用５种不同侧向力分布对比分析了５层，１０ 加载，只模拟了单方向地震作用，所以一些研究者提出了循环加 层，１５层钢筋混凝土结构在不同地震动强度时的反应，研究表明： 载静力弹塑性分析方法。 随结构层数的增加和地震动强度的增加高阶振型的影响变大，侧 ２００３年，汪梦甫等人以反应谱理论为依据，建立了循环侧推 向力的选取变得更加重要。 的多振型高层建筑结构静力弹塑性分析方法，并以２０世纪８０年 ２００５年，李丕宁等将ＱＲ法与Ｐｕｓｈｏｖｅｒ方法相结合，提出了 代日美联合合作进行拟动力试验的７层框架剪力墙为例，与时程 高层建筑结构静力弹塑性分析的Ｐｕｓｈｏｖｅｒ－ＯＲ（ＰＯ－ＯＲ）法，并且 分析方法的结果进行了对比分析。 以１６层两跨的框架结构为例进行了对比分析。 １９９８年，Ｋｒａｗｉｎｌｄｅｒ考虑了２０层，３０层，４０层建筑结构，研 然而，以上侧向荷载的加载模式均是单调增加的荷载分布， 究发现动力弹塑性分析与Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析得到的层间变形存在较 收稿日期：２００７．０３．２９ 作者简介：王玉金（１９８２．），男，北京工业大学建筑工程学院硕士研究生 北京１０００２２ 董宏英（１９６６．），女，副教授，北京工业大学建筑工程学院，北京１０００２２ 郭建涛（１９８１一），男，北京工业大学建筑工程学院硕士研究生，北京１０００２２ 维普资讯 http://www.cqvip.com ２年８４背 王玉金等：高层建筑结构静力弹塑性分析方法的研究改进 ・７・ 大偏差。２００１年，Ｍｅｍｅｒｉ对３２层框筒建筑结构进行Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分 规范已经将其纳入其中，因而一些结构分析软件都特别增加了 析，发现动力弹塑性分析得到的塑性铰数量误差高达８８％。这说 Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析功能，并且这些软件还在不断的完善其功能，如结 明Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法在高层建筑结构的分析中仍存在很多的问 构分析软件ＳＡＰ２００００，ＥＴＡＢＳ９．０，ＡＤＡＰＴＩＣ，抗震分析专业软 题，目前这种方法还不能很好地应用到高层建筑中。 件ＩＤＡＲＣ５．０，ＣＡＮＮＹ９９等。 其中，结构分析软件（如ＳＡＰ２００００，ＥＴＡＢＳ９．０）主要以ＦＥ— ２高层建筑结构空间静力弹塑性分析方法 ２７３／２７４中Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析的计算原理和公式为依据编写的程 目前的Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析基本都是以平面研究为主，这种方法只 ＭＡ 抗震专业软件（如ＩＤＡＲＣ５．０，ＣＡＮＮＹ９９）是包含编写者自己 适用于对称的建筑结构，并且以楼板刚性假定为前提。然而，随 序，着社会的进步和发展，现在不对称的建筑越来越多，这类建筑由 成果的软件，主要适用于平面静力弹塑性分析。其中，ＣＡＮＮＹ９９ ｒ分析，但其分析专业要求较高，一般的设计 于质心和刚心不重合，结构容易产生扭转，这就需要考虑空间的 可用于空间Ｐｕｓｈｏｖｅ还有些研究者用ＦＯＲＴＲＡＮ语言编写了一 平移扭转协同耦合作用。因此，研究三维的空间静力弹塑性分析 人员难以掌握。另外，些二维和三维的Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析软件，但在适用性上仍有待完善。 方法就非常必要。 目前关于空间三维的静力弹塑性分析方法的研究文献较少。 因此，要大力推广Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法的使用，编写符合我国 ｓｈｏｖｅｒ分析软件是十分必要的。 ２０００年，Ｍｏｇｈａｄａｍ和Ｔｓｏ采用倒三角水平侧向加载模式，将多 规范的Ｐｕ自由度体系运动方程简化为等效单自由度体系运动方程计算结 ４静力弹塑性分析方法的改进意见 构目标位移，用Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析了１０层质量偏心的框架结构，并与 通过以上高层建筑结构Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析的研究现状和存在的 无质量偏心的相同尺寸、相同材料的框架结构的Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析结 问题，可以从以下几个方面对高层建筑结构Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法进 果进行了对比分析。这种Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析没有考虑高阶振型的影 行改进： 响，并且没有考虑扭转振型的影响，因而分析结果与实际结果误 差较大。 １）高层建筑结构的高阶振型影响较大，传统的Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析 方法主要适用于受第一振型控制的结构，因此需要对目标位移的 １９９７年，Ｋｉｌａｒ和Ｆ ｆａｒ通过假定各种单元的塑性铰机构建立 计算进行修改，使之能够很好的适用于高层建筑结构。 ２）提出适用于高层建筑结构Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析的水平侧向加载 了在倒三角水平侧向荷载模式下的空间Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析，这种分析 比Ｍｏｇｈａｄａｍ和Ｔｓｏ的空间Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析更为简单，因为假定的 模式，传统的单调固定的侧向荷载加载模式不适用于高层建筑的 单元塑性铰与结构实际产生的塑性铰有很大的差异，因而计算结 Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析。 果的可靠性值得商榷。 ３）完善空间梁、柱、墙单元模型，使空间静力弹塑性分析得到， ４）为了更好地推广Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法的应用，应大力开发适 ２００５年，现伟等从两个相反的方向对平面不对称的混凝土 进一步的发展。 框架结构进行Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析，得到两个方向的分析结果有较大的 差别。２００５年，刘畅等用Ｐｕｓｈｏｖｅｒ对偏心框架结构进行分析，并 用于我国规范的Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析软件。 且在Ｎ２方法的基础上提出了修正方案，得到Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析结果 参考文献： 与时程分析结果的误差约为１０％～４０％。２００５年，李刚等用３ ［１］Ｋｉｌａｒ Ｖ，Ｆａｊｆａｒ Ｐ．Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｕｓｈｏｖｅｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｂｕｉｌｄ— 种加载模式对两个典型的三维偏心结构（刚度偏心和质量偏心） ｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｄｙｎａｍｉｃ￣，１９９７ 进行Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析，并与时程分析的结果进行了对比，给出了在 （２）：２３３—２４９． 进行三维偏心结构Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析时，应至少选取两种加载模式的 ［２］汪梦甫，周锡元．高层建筑结构静力弹塑性分析方法的研究现 结论。 Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析，并且对四种加载模式下结构的Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析结果 进行了对比研究。 ＦＥＭＡ２７３在关于建筑结构空间Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法的相关条 状与改进策略［Ｊ］．工程抗震，２００３（４）：６４—６５． 溥，李亚明，王亚勇，等．结构静力弹塑性分析（Ｐｕｓｈｏｖｅｒ） 爽，欧进萍．结构Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析的侧线力分布及高阶振型 荣，张克纯，等．高层建筑结构静力弹塑性分析的 方法的改进［Ｊ］．建筑结构学报，２０００（１）：２２—２３． ［４］侯影响［Ｊ］．地震工程与工程振动，２００４（３）：６４—６５． Ｐｕｓｈｏｖｅｒ－ＱＲ法［Ｊ］．世界地震工程，２００５（４）：６４—６５． 地震工程与工程振动，２００４（６）：７７—７８， ２００６年，毛华等用ＥＴＡＢＳ对一复杂高层钢结构进行 ［３］杨款中，仅对水平加载模式提出了建议，认为空间Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析应 ［５］李丕宁，秦当是多方向侧推或沿抗震主轴侧推。这些都表明目前空间 行进一步的深入研究。 Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法的研究和应用都还不够成熟，很多方面需要进 ［６］卢文生，吕西林．模态静力非线性分析中模态选择的研究［Ｊ］． ３高层建筑结构静力弹塑性分析方法的计算软件 随着Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法研究的不断深入和完善，很多国家的 ［７］沈蒲生，龚胡广．多模态静力推覆分析及其在高层混合结构体 系抗震评估中的作用［Ｊ］．工程力学，２００６（８）：３４—３５． Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｌａｙｅｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔａｔｉｃ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ＷＡＮＧＹｕ－ｊｉｎ ＤＯＮＧＨｏｎｇ－ｙｉｎｇ ＧＵＯＪｉａｎ－ｔａｏ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｍａｉｎｌｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｈｉｇｈ—ｌａｙｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｅｌａｓｔｉｃ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃｏｕｎｔｉｇ ｓｏｆｔｎｗａｒｅ ｏｆ ｝ｌｉ曲一ａｌｙｅｒ ｏｎｓｃｔｒｕｃｔｉｇ ｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔａｔｉｃ ｅｌｓｔａｉｃ ａｎａｌｚｉｙｇ ｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｂｒｉｎｇｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｍｐｒｉｏｖｉｇ ｎａｄｖｉｃｅ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｅｌｓｔａｉｃ ａｎａｌｙｚｉｇ ｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｐｒｅａｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｓｈｏｖｅｒ ａｎａｌｙｚｉｇ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｐｒｎｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｌａｙｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｇ ｓｔｒｎｕｃｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｌａｙｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｔａｔｉｃ ｆｏｒｃｅ，ｅｌｓｔｉａｃｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ
