關于彈塑性分析一些問題的總結

肖俊柯

（貴陽市建筑設計院有限公司 貴州貴陽 550001）

在建筑結構越趨復雜，同時抗震設計分析理論及相應設計軟件逐步完善的今天，彈塑性分析技術在基于性能的抗震設計中應用越來越多，從整個發展來看，一方面聚焦于分析方法本身的研究，另一方面則逐漸向基于彈塑性分析的結構設計過渡。在第二個方面，重點涉及到彈塑性分析結果的應用，但在實際應用方面可能仍然存在一些誤區。本文主要想從概念上探討一下彈塑性分析內力結果在結構設計中合理應用的幾個問題。

大震彈塑性分析結果內力和變形應更關注哪個指標，其實關于這個問題，王亞勇大師在多個學術交流會曾明確表示，應更多關注結構件變形，內力的結果僅做參考，意義不是很大，這主要基于兩個方面的考慮：①對于力和變形兩個響應指標，由于天然地震波的完全非平穩隨機過程特性，加上計算模型中材料和構件本構模型的選擇差異，后者往往表現的更為穩定，而前者的離散性和隨機性要大得多；②目前規范中給出明確指標限值是結構的變形指標，最重要的是層間位移角指標，構件層面有關于構件損傷程度與變形指標關系國內規范可參考建筑結構抗倒塌設計規范，國外可參考美國的FEMA規范的相關規定。

彈塑性分析的內力能否直接用于構件的配筋，答案也是否定的。由于天然地震波離散的特性，不同結構的動力特性也千差萬別，對同一個結構，輸入不同的地震波進行時程分析會得出不同的結果，目前的彈塑性分析更多的作用是一種驗算，檢驗結構在設定地震作用下的性能表現。在進行彈塑性分析之前就需明確一個配筋，而對于按照既定配筋的彈塑性分析內力結果再次配筋，從邏輯上講不通的，若分析結果不滿足變形或性能指標，從而調整配筋再次進行驗算，則是另外一回事；再者，彈塑性分析得到的內力，并不是一個確定的內力，它除了受制于本身配筋影響，還和整體結構進入彈塑性狀態后內力重分布的情況相關，其它構件配筋也可能影響這個構件的內力。構件本身剛度退化后，內力水平與彈性分析的結果相比可能差別巨大，這個內力應該是成一種響應結果，而并非承載力需求。這里須補充說明一下，彈塑性分析內力結果雖然不能用于某個構件配筋，但對于其它相關關鍵構件的設計是有用的，這是一個從整體看的問題。由于關鍵構件的性能目標往往較高，一般設成大震下抗彎不屈服，抗剪彈性，要達到這一目標，就必須確定其內力需求。此時與之相連的非關鍵構件可能已經進入屈服狀態，此時，這些屈服構件與關鍵構件之間的作用實際上為關鍵構件的邊界內力需求，可將這個內力用于關鍵構件設計截面和配筋是合理的。同理，包括例如基礎設計，柱腳螺栓焊縫設計等，都可以使用上部結構彈塑性分析的內力結果。

那如何確定彈塑性分析下的選波及計算結果的可靠性？規范規定分析所采用的地震波平均反應譜與振型分解反應譜法所采用的反應譜應“在統計意義上相符”，在對應結構主要周期點上與規范反應譜相差不大于20%，這個選波要求只是一種參考，并非強制性的要求，因為規范反應譜是基于大量真實地震動實測數據的結果生成，并進過清除少量最大加速度尖峰，經平滑處理得到的，考慮了場地、烈度、震中距等參數的影響，是比較有代表的，因此，規范反應譜的構建是選波的依據，但最終標準仍是規范規定的結構底部剪力。但如果所選擇的地震波在每個周期點都與反應譜滿足較小的正負偏差，實際上除人工波外很難達到，當然肯定更容易滿足總地震力的要求，同時也會失去地震輸入的多樣性，削弱了天然地震波的完全非平穩隨機過程特性，特別是缺少強烈變化的短周期成分，無法“激發”結構的高階振型響應，以發現結構可能存在的薄弱環節。實際上，時程分析與反應譜分析的關系，實質上是事物特殊性與一般性的關系，要兩方面都考慮到。對彈性時程分析底部剪力高規有明確的單條波及多條波平均值的要求，但對彈塑性分析卻無明確要求，現在更多控制大震彈塑性底部剪力與小震彈性底部剪力之比在3～5倍之間，但無任何依據，存在一定爭議，有超過此范圍的不在少數，畢竟同一個結構，選波的離散性，選擇材料與構件的本構模型，甚至計算分析軟件的選擇，都對最終分析結果造成較大的影響，但總的來說通過比較分析可以對在預期地震作用下的整體性能有所把握。當然，規范建議適當增加輸入的地震波數量，數量越多近似性越好。

另外關于地震波有效持續時間規范有最低限制，是5倍的結構基本周期，且地震波計算起點與終點有效加速度值均不小于10%的有效峰值加速度，但還需要綜合考慮地震波的實際振動情況，根據經驗，通常需要計算到結構的響應明顯衰減。比如對于超高層結構，當周期較長時，長如8s以上，結構的振動最大響應經常會相對于地震波輸入峰值有較大滯后，而天然波的振幅本身衰減較快，這種情況下在滿足5倍有效持續時間前提下，需要確保結構的最大響應已經出現并有明顯衰減，為了實現這一計算目的，有時需要增加有效計算時間，即在5倍有效持續時間之外有一定延長，這對反映結構最大響應是有意義的。

總之，彈塑性分析的變形指標更適合直接評價與判斷，在基于性能的抗震設計中，應避免對彈塑性分析內力結果的不合理應用。

[1]《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）.北京：中國建筑工業出版社.

[2]結構時程分析輸入地震動準則和輸出結果解讀.建筑結構，2017，47（11）：1～6.

[3]動力彈塑性分析結果用于指導結構性能設計的若干問題.建筑結構，2017，47（11）：1～10.