关于弹塑性分析一些问题的总结

肖俊柯

（贵阳市建筑设计院有限公司 贵州贵阳 550001）

在建筑结构越趋复杂，同时抗震设计分析理论及相应设计软件逐步完善的今天，弹塑性分析技术在基于性能的抗震设计中应用越来越多，从整个发展来看，一方面聚焦于分析方法本身的研究，另一方面则逐渐向基于弹塑性分析的结构设计过渡。在第二个方面，重点涉及到弹塑性分析结果的应用，但在实际应用方面可能仍然存在一些误区。本文主要想从概念上探讨一下弹塑性分析内力结果在结构设计中合理应用的几个问题。

大震弹塑性分析结果内力和变形应更关注哪个指标，其实关于这个问题，王亚勇大师在多个学术交流会曾明确表示，应更多关注结构件变形，内力的结果仅做参考，意义不是很大，这主要基于两个方面的考虑：①对于力和变形两个响应指标，由于天然地震波的完全非平稳随机过程特性，加上计算模型中材料和构件本构模型的选择差异，后者往往表现的更为稳定，而前者的离散性和随机性要大得多；②目前规范中给出明确指标限值是结构的变形指标，最重要的是层间位移角指标，构件层面有关于构件损伤程度与变形指标关系国内规范可参考建筑结构抗倒塌设计规范，国外可参考美国的FEMA规范的相关规定。

弹塑性分析的内力能否直接用于构件的配筋，答案也是否定的。由于天然地震波离散的特性，不同结构的动力特性也千差万别，对同一个结构，输入不同的地震波进行时程分析会得出不同的结果，目前的弹塑性分析更多的作用是一种验算，检验结构在设定地震作用下的性能表现。在进行弹塑性分析之前就需明确一个配筋，而对于按照既定配筋的弹塑性分析内力结果再次配筋，从逻辑上讲不通的，若分析结果不满足变形或性能指标，从而调整配筋再次进行验算，则是另外一回事；再者，弹塑性分析得到的内力，并不是一个确定的内力，它除了受制于本身配筋影响，还和整体结构进入弹塑性状态后内力重分布的情况相关，其它构件配筋也可能影响这个构件的内力。构件本身刚度退化后，内力水平与弹性分析的结果相比可能差别巨大，这个内力应该是成一种响应结果，而并非承载力需求。这里须补充说明一下，弹塑性分析内力结果虽然不能用于某个构件配筋，但对于其它相关关键构件的设计是有用的，这是一个从整体看的问题。由于关键构件的性能目标往往较高，一般设成大震下抗弯不屈服，抗剪弹性，要达到这一目标，就必须确定其内力需求。此时与之相连的非关键构件可能已经进入屈服状态，此时，这些屈服构件与关键构件之间的作用实际上为关键构件的边界内力需求，可将这个内力用于关键构件设计截面和配筋是合理的。同理，包括例如基础设计，柱脚螺栓焊缝设计等，都可以使用上部结构弹塑性分析的内力结果。

那如何确定弹塑性分析下的选波及计算结果的可靠性？规范规定分析所采用的地震波平均反应谱与振型分解反应谱法所采用的反应谱应“在统计意义上相符”，在对应结构主要周期点上与规范反应谱相差不大于20%，这个选波要求只是一种参考，并非强制性的要求，因为规范反应谱是基于大量真实地震动实测数据的结果生成，并进过清除少量最大加速度尖峰，经平滑处理得到的，考虑了场地、烈度、震中距等参数的影响，是比较有代表的，因此，规范反应谱的构建是选波的依据，但最终标准仍是规范规定的结构底部剪力。但如果所选择的地震波在每个周期点都与反应谱满足较小的正负偏差，实际上除人工波外很难达到，当然肯定更容易满足总地震力的要求，同时也会失去地震输入的多样性，削弱了天然地震波的完全非平稳随机过程特性，特别是缺少强烈变化的短周期成分，无法“激发”结构的高阶振型响应，以发现结构可能存在的薄弱环节。实际上，时程分析与反应谱分析的关系，实质上是事物特殊性与一般性的关系，要两方面都考虑到。对弹性时程分析底部剪力高规有明确的单条波及多条波平均值的要求，但对弹塑性分析却无明确要求，现在更多控制大震弹塑性底部剪力与小震弹性底部剪力之比在3～5倍之间，但无任何依据，存在一定争议，有超过此范围的不在少数，毕竟同一个结构，选波的离散性，选择材料与构件的本构模型，甚至计算分析软件的选择，都对最终分析结果造成较大的影响，但总的来说通过比较分析可以对在预期地震作用下的整体性能有所把握。当然，规范建议适当增加输入的地震波数量，数量越多近似性越好。

另外关于地震波有效持续时间规范有最低限制，是5倍的结构基本周期，且地震波计算起点与终点有效加速度值均不小于10%的有效峰值加速度，但还需要综合考虑地震波的实际振动情况，根据经验，通常需要计算到结构的响应明显衰减。比如对于超高层结构，当周期较长时，长如8s以上，结构的振动最大响应经常会相对于地震波输入峰值有较大滞后，而天然波的振幅本身衰减较快，这种情况下在满足5倍有效持续时间前提下，需要确保结构的最大响应已经出现并有明显衰减，为了实现这一计算目的，有时需要增加有效计算时间，即在5倍有效持续时间之外有一定延长，这对反映结构最大响应是有意义的。

总之，弹塑性分析的变形指标更适合直接评价与判断，在基于性能的抗震设计中，应避免对弹塑性分析内力结果的不合理应用。

[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）.北京：中国建筑工业出版社.

[2]结构时程分析输入地震动准则和输出结果解读.建筑结构，2017，47（11）：1～6.

[3]动力弹塑性分析结果用于指导结构性能设计的若干问题.建筑结构，2017，47（11）：1～10.