如何将非线性刚度折减系数用于性能化设计？

最近有不少工程师问到“如何将非线性刚度折减系数用于性能化设计”问题，所以笔者感觉有必要详细介绍了一下非线性刚度折减性能设计方法。

1、方法由来

按“高规”方法进行性能设计时，在未进行弹塑性分析之前，无法准确估计结构在中震和大震作用下构件的刚度退化情况以及考虑构件塑性耗能后附加给结构的阻尼比，因而会导致子模型构件内力失真。建研院肖从真等提出，可以通过非线性分析，得到结构中不同构件在中、大震作用下的刚度折减系数和结构附加阻尼比，返带回弹性设计软件中进行结构性能设计。使用流程如图1所示。

图1  SAUSG-Design非线性刚度折减性能设计流程图

 

2、操作步骤

1） 指定构件性能目标，使用SATWE软件进行首次分析与设计

菜单：SATWE模块->设计模型前处理->参数定义->性能设计，如图2所示，选择“按照高规方法进行性能包络设计”。

图2  性能化设计参数定义

菜单：设计模型前处理->性能目标，指定构件性能目标，如图3所示。

图3  按构件指定性能目标

菜单：SATWE模块->分析模型及计算->生成数据+全部计算

进行第一次的弹性分析和设计。

2） 进行非线性分析，得到中震或（和）大震作用下的构件刚度折减系数

选择SAUSG-Design，可按照默认参数进行模型预处理，在之后弹出的非线性优化参数对话框中，计算类型选择“性能设计刚度折减系数及附加阻尼比”。勾选“指定性能目标的构件保持弹性”，则进行非线性分析时，对于指定了性能目标的构件仍按照弹性进行分析，其他构件则采用弹塑性本构，如图4所示。

点击 “确定”后，进行非线性分析，得到中震或（和）大震作用下的构件刚度折减系数。

图4  非线性优化参数（性能化设计刚度折减系数）

3） 导入刚度折减系数，进行第二次性能化设计。

菜单：SATWE模块->设计模型前处理->参数定义

图5  导入SAUSG刚度折减系数

如图5所示，勾选“采用SAUSG刚度折减系数”，如果要采用非线性优化计算得到的附加阻尼比，也可以勾选“采用SAUSG附加阻尼比”。点击“生成数据”后，这部分参数才真正导入。

如需查看或编辑SAUSG计算的刚度折减系数，可以切换到中震或大震子模型，通过SATWE“分析模型及计算”->“设计属性补充”中选择“交互定义”，并在“刚度折减系数”中选择构件类型并进行查看，也可在此基础上进行修改。

之后可以点击“生成数据+全部计算”，进行第二次的性能化设计，则得到的性能设计的构件配筋即是考虑非线性刚度折减系数的中震（大震）子模型与小震模型的包络配筋。

 

3、算例

1） 指定构件性能目标，使用SATWE软件进行首次分析与设计

某转换多塔结构如图6所示，结构共17层，高度为62.6米。地震烈度为7度（0.15g），设计地震分组第三组，场地类别为III类。

底部两层平台柱及框支柱性能目标为中震正截面承载力弹性、斜截面承载力弹性；大震正截面承载力不屈服、斜截面承载力弹性。转换梁性能目标为中震正截面承载力弹性、斜截面承载力弹性；大震正截面承载力不屈服、斜截面承载力不屈服。

图6  某转换多塔结构

在RH1TG065地震动作用下，墙梁、墙柱、框架梁刚度折减系数分布如图7~图9所示。

图7  墙梁刚度折减系数

图8 墙柱刚度折减系数

图9  框架梁刚度折减系数

在地震动作用下，能量变化曲线如图10所示，构件弹塑性附加阻尼比为3.2%，大震等效弹性分析用结构总阻尼比为8.2%。

图10  能量图及等效阻尼比

结构初始阻尼比：5.0%

附加等效阻尼比：

结构弹塑性：3.2% 位移型阻尼器：0.0% 

速度型阻尼器：0.0%

总等效阻尼比：8.2%