弹塑性分析之结果看点
这不，前段时间咨询院就专门开展了一次关于弹塑性分析的技术交流活动，会上刚好有位肖大师培养的博士对弹塑性分析的结果看点做了精彩的讲解。内容详实，转给诸君，希望对大家有所助益。
弹塑性分析的结果看点，可以概括为八个字：总看整体、细看对比。这八个字可不是随便得来的，是根据我院完成的国内30多个城市的近100个超限项目总结的！
有图有真相哦！
图1 我院完成的近百个弹塑性分析项目
这近百个项目中超过600m的有：
超过500m的有：
结合这些“宝贝项目”，来说说弹塑性分析的结果看点吧。
正确的分析需要正确的输入，关于弹塑性时程分析的主、次向输入规则，工程师们的操作可是五花八门，那正确的姿势是什么呢？请看下图。
有正确的输入，获得的结果就有可对比性啦。
主要包括3个方面：结构变形、构件塑性损伤和承载力校核。
（一）结构变形
1.通过位移曲线的拐点和层间位移角曲线的超限楼层看结构薄弱部位（下图红色虚线框处）。
2.通过外框柱各点楼层位移的差异大小——看结构扭转效应。
结构相同，为何两图的位移差异不同？因为结构平面沿Y轴对称，Y主向输入时A、B、C三点的位移基本一致；X主向输入时，非对称的B点与A、C点的差异就出来啦，表明结构在X主向地震波作用下，存在一定的扭转效应。
3.与刚性楼板相比，弹塑性楼板能有效反映结构刚度突变引起的薄弱。
如外框巨柱由钢管混凝土柱变为普通钢管柱时，大震弹性和弹塑性分析的结果均表明，刚性楼板不能反映此处刚度突变所引起的薄弱，应采用弹塑性楼板。
（二）构件塑性损伤
剪力墙受压损伤程度与层间位移角曲线分布是对应的。
1.工程师在设计中，喜欢同时变化同一楼层处墙柱的截面尺寸和强度等级，因为这样可以少画好多标准层。但是下图构件塑性损伤的结果却表明，同时变化的位置会成为薄弱部位，所以还是“分批变化”、“逐渐过渡”更好。为了结构的安全，关键构件的标准层还是适当多一些吧。
2.受压看混凝土损伤，受拉看型钢（或钢筋）的应力、应变。
这点从混凝土与型钢（或钢筋）的本构曲线对比，即可清晰看出。
先看受压段：混凝土的抗压强度大约是型钢（或钢筋）的十分之一，但面积却是型钢（或钢筋）的几十倍，因此受压时混凝土的贡献可是型钢（或钢筋）的几倍哦，贡献杠杠的。
再看受拉段：面对受拉性能强劲的型钢（或钢筋），混凝土的受拉段曲线已基本变成一条“地平线”。刚刚一受拉，混凝土就“咔咔咔”开裂了，所以受拉基本都是型钢（或钢筋）的贡献。
那为什么还要控制2ftk呢？这是因为2ftk是用来衡量构件的拉应力水平的，和受拉不考虑混凝土的贡献是两回事。
注意，对累积变量要看终止时刻值，比如塑性应变和损伤因子；对瞬时变量要看最大值，比如弹性应变和应力。
知道了这些，下面让我们一起欣赏关键竖向构件在地震波作用下的“优美舞姿”—塑性发展过程吧。
网格划分后局部单元的破坏能否代表整个构件呢？这就要从构件整体的承载力校核结果来看了。
（三）承载力校核
截面承载力校核无外乎：斜截面抗剪和正截面抗弯两种。
我们都知道抗震设计有三个概念：“强剪弱弯”“强柱弱梁”和“强节点弱构件”。我对“强剪弱弯”重要性的认识来自于一次剪力墙压剪试验，当混凝土“哐当”一声被压溃的那一刻，简直吓死宝宝了。这压剪破坏太快太可怕了，地震时要发生这种脆性破坏，想跑掉根本来不及。
赶紧加强抗剪，让截面的受剪承载力高于截面弯曲屈服时相应的剪力。
抗剪保证了，抗弯就不管了么？当然不可以！
抗弯也是有性能目标要求的，也需要验算。至于看单片墙肢，还是看组合墙肢的验算结果，可根据受力要求确定；至于用设计强度还是用标准强度算，则要看构件性能目标对应的材料强度要求。
“总看整体”能看的结果都看了，那“细看对比”是对比什么呢？
我们知道，小震设计是基于弹性材料的。当考虑材料等非线性因素后，获得的计算结果是否合理、是否准确，就需要我们通过“大震弹性”和“大震弹塑性”的结果对比才知道。
对比内容主要包括基底剪力、顶点位移和层间位移角。
（一）基底剪力
初始时刻（前4秒），结构处于弹性状态，两条基底剪力曲线基本一致；随着地震作用强度的增大、持时的增加（第4秒后），有构件进入塑性，结构刚度下降。与弹性曲线相比，弹塑性计算得到的基底剪力出现下降。
不同的工程项目基底剪力降低的幅度是不一样的。就超高层框架核心筒结构而言，地震烈度越高、基底剪力降低的幅度越大，如6度区大约降低10%以内，7度区大约降低5%~30%，8度区大约降低10%~45%。
（二）顶点位移
与基底剪力时程曲线类似，初始时刻结构处于弹性状态，两条顶点位移曲线基本一致。后期构件出现塑性后，结构刚度下降，引发结构周期变长、位移时程曲线震荡滞后。
两条曲线位移幅值有所不同，大震弹塑性约是弹性位移的70%~130%左右。
再看一眼像“水波”一样光滑的顶点位移时程曲线，而基底剪力时程曲线呢，感觉像“心电图”一样纠结。为何会这样？这是因为基底力与地震加速度的变化一致，而位移是加速度两次积分后的结果，积分后的曲线自然光滑。
（三）层间位移角
首先，要看大震弹塑性和弹性层间位移角曲线的“分布形态”是否一致。就是说该凸的地方一起凸（刚度弱的楼层）、该凹的地方一起凹（加强层），都是亲生的，就是胖瘦不同而已。
如果凸凹不一致怎么办？那估计是存在刚性楼板假定，查验一下。
再次，要看竖向构件塑性损伤较大的楼层，弹塑性计算得到的层间位移角是否大于弹性计算结果。如果众多工况中，唯独找不到这样的分布，悄悄告诉你：估计是弹塑性计算时阻尼比取大啦。
现在不会做弹塑性分析的你，是不是也会看弹塑性结果，并能分析结果的合理性啦。回过头来再指导设计，有没有感觉自信满满呢？
作者简介：任重翠
博士
咨询院结构所所长助理
高级工程师
国家一级注册结构工程师
2006年毕业于哈尔滨工业大学，获工学、理学双学士学位；
2008年在哈尔滨工业大学获工学硕士学位，进入中国建筑科学研究院工作；
2018年在中国建筑科学研究院获工学博士学位。
小编：张同天