1、快速入门广东省建筑设计研究院6第 2 章 快速入门广厦建筑结构 CAD 安装后，在 Exam 子目录下有一个框架结构工程实例：Frame.prj。对此框架结构我们将完成：弹塑性静力推覆分析、弹塑性动力时程分析、隔震计和消能计算。阅读本章的 GSNAP 在设计中的应用指导，并按本章快速入门进行操作，用户将 1 小时内快速掌握弹塑性计算的基本方法。实例见：GscadExamFrame.prj（平面见下图）1 GSNAP 在设计中的应用指导弹塑性分析的目的是了解结构的抗震性能，得到结构在罕遇地震下的抗倒塌能力，设计中有如下 5 种用途：1) 弹塑性最大层间位移角是否满足规范要求；2) 确定结构的薄弱
2、层；3) 确定薄弱构件；4) 隔震计算；5) 消能计算。我国现行规范中规定的弹塑性阶段设计主要是指弹塑性阶段的变形验算，也就是说需要将 GSNAP 计算得到的结构在罕遇地震作用下最大层间位移角与规范所规定的层间位移角限值进行比较，满足限值要求则通过弹塑性阶段的变形验算。1.1 弹塑性最大层间位移角是否满足规范要求GSNAP 弹塑性动力时程分析得到罕遇地震作用下最大层间位移角的步骤如下：1) 选择多条天然地震波或人工地震波；2) 通过 GSNAP 计算得到每条地震波作用下各个结构楼层的最大层间位移角，进而得快速入门深圳市广厦软件有限公司7到多条地震波的平均层间位移角；3) 通过平均最大层间位移角
3、确定结构的薄弱楼层；4) 将薄弱楼层的平均层间位移角与规范限值进行比较，确定是否满足规范要求。建筑抗震设计规范中对于弹塑性时程分析的地震波选择原则并没有明确规定，设计人员可参考抗规 5.1.2 条的规定选取弹塑性时程分析的地震波：“应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的 2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。”对于一些结构的弹塑性反应明显较小的地震波应该剔除。GSNAP 弹塑性静力推覆分析得到罕遇地震作用下最大层间位移角的步骤如下：1) 选择侧推荷载类型，进
4、行静力推覆分析；2) 在“图形方式”查看静力推覆的抗倒塌验算结果，得到性能点最大层间位移角；3) 将性能点最大层间位移角与规范限值进行比较，确定是否满足规范要求。1.2 确定结构的薄弱层薄弱层可能一个也可能多个，可采用如下的一些原则来确定薄弱层：1) 最大层间位移角和最大有害层间位移角所在的楼层；2) 层间位移角或有害层间位移角超过规范限值的楼层；3) 损失刚度超过 70%的墙、柱、梁比较多的部位。1.3 确定薄弱构件“图形方式”中可以查看墙、柱、梁的塑性铰显示(刚度损失 70%以上)和剪力墙的裂缝状况，可以清楚的了解到结构构件在地震波作用过程中或静力推覆分析过程中结构的弹塑性发展情况，有选择
5、的加强原结构设计：增大构件尺寸或增大实配钢筋。1.4 隔震计算隔震设计指在房屋基础、底部或下部结构与上部结构之间设置由橡胶隔震支座和阻尼装置等部件组成具有整体复位功能的隔震层，以延长整个结构体系的自振周期，减少输入上部结构的水平地震作用，达到预期防震要求。隔震计算分为：上部结构(隔震层以上结构)计算和隔震层计算。1.4.1 上部结构的计算：主要求水平向减震系数1) 在录入中增加第 1 标准层墙柱，删除所有梁，层高为橡胶隔震器高度，未布置隔震装置；2) 采用 GSSAP 弹性计算后，在 GSNAP 中选择同样的天然地震波或人工地震波，输入设计基本加速度，采用 GSNAP 的弹塑性动力时程分析，在
6、“图形方式-弹塑时程-弹塑性动力时程计算结果总信息” 中查看二层和二层以上最大剪力和弯矩，求得多条地震波二层和二层以上的平均最大剪力和最大弯矩；快速入门广东省建筑设计研究院83) 把工程目录复制一个新的目录，第 1 标准层墙柱下布置隔震装置；4) 采用 GSSAP 弹性计算后，在 GSNAP 中选择同样的天然地震波或人工地震波，输入设计基本加速度，采用 GSNAP 的弹塑性动力时程分析，在“图形方式-弹塑时程-弹塑性动力时程计算结果总信息” 中查看二层和二层以上最大的剪力和弯矩，求得多条地震波二层和二层以上的平均最大剪力和最大弯矩；5) 求水平向减震系数，多层时水平向减震系数等于隔震和非隔震平
7、均最大剪力比值的最大值，高层时还应与隔震和非隔震平均最大弯矩比值的最大值取大值；6) 根据抗规 12.2.5 求隔震后的最大水平地震影响系数；7) 在录入 GSSAP 地震信息中输入隔震后的最大水平地震影响系数，采用 GSSAP进行弹性反应谱分析。1.4.2 隔震层的计算1) 隔震支座竖向承载力验算，在“图形方式-墙柱内力”查看有隔震的墙柱下恒载和活载轴力，隔震支座在“恒载+0.5 活载”组合的竖向压应力不应超过下表的限值。橡胶隔震支座平均压应力限值建筑类别 甲类建筑 乙类建筑 丙类建筑压应力(MPa) 10 12 152) 罕遇地震下隔震支座水平位移验算在“图形方式-弹塑时程-弹塑性动力时程
8、计算结果总信息” 中查看一层的最大位移，满足抗规 12.2.6 的要求。若要得到某个隔震器的最大水平位移，可在“图形方式-弹塑时程-节点时程响应”中鼠标右键选择一层柱上端查看位移时程得到。1.5 消能计算消能减震设计指在房屋结构中设置阻尼器，通过阻尼器的相对变形和相对速度提供附加阻尼，以消耗输入结构的地震能量，达到预期防震减震要求。主要计算布置了阻尼器的结构层间位移角和总阻尼比（结构阻尼比与阻尼器附加给结构的有效阻尼比之和）。计算步骤如下：1) 在录入中布置阻尼器；2) 采用 GSSAP 进行弹性计算；3) 在 GSNAP 中选择同样的天然地震波或人工地震波，采用 GSNAP 的弹塑性动力时程
9、分析，在“图形方式-弹塑时程-楼层最大响应曲线” 中查看各层中最大的层间位快速入门深圳市广厦软件有限公司9移角，求得多条地震波的平均最大层间位移角；4) 手工计算总阻尼比，在“文本方式-周期和地震作用”的地震反应谱分析结果中查看阻尼器布置方向的地震剪力换算的水平力 Fi，在“文本方式-结构位移”查看给定 CQC 地震剪力换算的水平力并考虑偶然偏心下的位移，+ex 和-ex 层平均位移相加为地震作用对应的位移 ui（若地震信息中质量偏心改为 0.0，取其中一个位移即可），求得总应变能 Ws=(1/2) Fiui；在“文本方式-结构位移”查看给定 CQC地震剪力换算的水平力并考虑偶然偏心下的位移，
10、+ex 和-ex 层平均层间位移相加为地震作用对应的平均层间位移即每个阻尼器两端水平位移差 uj，再根据阻尼器厂家提供的材料求总的耗散能量 Wc= Wcj；求得阻尼器附加给结构的有效阻尼比 Wc/Ws，与原结构阻尼比相加得到总阻尼比；5) 在录入 GSSAP 地震信息中输入总阻尼比，采用 GSSAP 进行弹性计算。2 弹塑性静力推覆分析2.1 运行 GSNAP 的弹塑性静力推覆分析点按“主控菜单找旧工程”，打开 GscadExamFrame.prj。点按“主控菜单楼板、次梁和砖混计算”和“主控菜单通用计算 GSSAP”，完成弹性计算。点按“主控菜单弹塑性计算 GSNAP”，弹出如下对话框点选“
11、静力推覆分析”。快速入门广东省建筑设计研究院10弹出静力推覆分析总体信息对话框输入参数。2.2 计算参数的选择侧推的荷载类型选择倒三角形，荷载类型选择的原则为：有地下室或裙房的结构可选择矩形，其它结构可选择倒三角形和给定水平力。实际工程中其它参数一般不用修改，确认，运行 GSNAP 的弹塑性静力推覆分析，一直到计算完成时点按“退出” 。2.3 查看弹塑性静力推覆分析结果点按“主控菜单图形方式静力推覆1.各节点(位移-荷载)曲线”，点按右键选择顶层柱上端点，显示如下位移荷载曲线，查看结构的弹塑性变形情况。快速入门深圳市广厦软件有限公司11选择“5.结构的能力曲线、需求曲线和抗倒塌验算”，弹出如下
12、对话框输入合理的地震参数。快速入门广东省建筑设计研究院12点按“抗倒塌验算”，显示如下抗倒塌验算图，查看性能点的最大层间位移角是否满足抗规 5.5.5 弹塑性变形的要求。选择“4.各加载步的塑性铰图和加载过程动画”，红点显示当前步的破坏，黄色显示曾经的破坏。快速入门深圳市广厦软件有限公司13选择“9.静力推覆计算结果总信息”，输出文本信息用于存档。3 弹塑性动力时程分析3.1 运行 GSNAP 的弹塑性动力时程分析点按“主控菜单找旧工程”，打开 GscadExamFrame.prj。点按“主控菜单楼板、次梁和砖混计算”和“主控菜单通用计算 GSSAP”，完成弹性计算。点按“主控菜单弹塑性计算
13、GSNAP”，弹出如下对话框点选“动力时程分析”。弹出弹塑性动力时程分析总体信息对话框输入参数。3.2 计算参数的选择快速入门广东省建筑设计研究院14根据抗规 5.1.4 计算罕遇地震作用时，特征周期应增加 0.05s，优先选择特征周期对应的地震波，没有时可选择特征周期大一级的地震波。本工程场地类别 II，设计地震分组一组，特征周期 0.35s，计算罕遇地震作用时，特征周期为 0.4s，选择地震波 RH1TG040。根据抗规表 5.1.2-2，输入 7 度峰值加速度 220cm/s2。为算快点，输入地震波终止时刻 3s。点按“主控菜单-文本方式” 查看“周期和地震作用” 中地震作用方向的第一周
14、期0.903 和第二周期 0.293，乘周期折减系数 0.8 后填入对话框。第一周期不一定是最大周期，第二周期不一定是排第二的周期，根据平动系数可判定此周期与 XY 方向是否有关系。实际工程中其它参数一般不用修改，确认，运行 GSNAP 的弹塑性动力时程分析，一直到计算完成时点按“退出” 。3.3 查看弹塑性动力时程分析结果点按“主控菜单图形方式弹塑时程1.楼层最大响应曲线”，点按“层间位移角”，显示如下最大层间位移角曲线，查看最大层间位移角是否满足抗规 5.5.5 弹塑性变形的要求，查看 3 层为结构的薄弱层。快速入门深圳市广厦软件有限公司15选择“2.楼层平均时程响应曲线”，显示如下结构层
15、 6 位移时程。选择“4.各加载步的塑性铰图和加载过程动画”， 红点显示当前步的破坏，黄色显示曾经的破坏。快速入门广东省建筑设计研究院16选择“8.弹塑性动力时程计算结果总信息”，输出文本信息用于存档。4 隔震计算4.1 求水平向减震系数按上一节输入抗震烈度 7 度设计基本加速度 35cm/s2，进行弹塑性动力时程分析，点按“主控菜单图形方式弹塑时程8.弹塑性动力时程计算结果总信息”，并得到如下未布置隔震器时层最大剪力：各层最大剪力(kN)地震方向 0 度:层号 地震波 11 155.032 154.443 156.474 131.875 95.916 48.24如下求布置隔震器时层最大剪力。
16、在录入中把工程另存为 Frame1.prj，在 GSSAP 总信息中输入结构计算总层数 7。快速入门深圳市广厦软件有限公司17采用命令“AddStd”弹出如下对话框插入一隔震标准层。在各层信息修改结构层对应的标准层号，第 1 标准层为隔震层，第 2 标准层为原结构标准层。把第 1 结构层的层高改为 0.5m（隔震器高度）。快速入门广东省建筑设计研究院18采用删除梁命令“DelBeam”删除隔震层所有的梁，出现如下平面图。采用清除虚柱命令“ClearNode”弹出如下对话框。选择“是”清理多余的虚柱，出现如下平面图。快速入门深圳市广厦软件有限公司19采用设置柱连接单元命令“ColConnect”
17、，点按左上角的参数窗口，弹出如下对话框选择连接类型为橡胶隔震器，输入 2 轴和 3 轴平动屈服力 5kN。窗选所有柱，布置隔震器，出现如下平面图。快速入门广东省建筑设计研究院20点按“平面图形编辑生成计算数据生成 GSSAP 计算数据”，关闭如下警告，退出录入系统。点按“主控菜单找旧工程”，打开 GscadExamFrame1.prj。快速入门深圳市广厦软件有限公司21点按“主控菜单楼板、次梁和砖混计算”和“主控菜单通用计算 GSSAP”，完成弹性计算。点按“主控菜单弹塑性计算 GSNAP”，弹出如下对话框点选“动力时程分析”。弹出弹塑性动力时程分析总体信息对话框输入参数。快速入门广东省建筑设
18、计研究院22选择地震波 RH1TG040。输入 7 度峰值加速度 35cm/s2。为算快点，输入地震波终止时刻 3s。填入第一周期 0.903x0.8=0.722 和第二周期 0.293*0.8=0.234。实际工程中其它参数一般不用修改，确认，运行 GSNAP 的弹塑性动力时程分析，一直到计算完成时点按“退出” 。点按“主控菜单图形方式弹塑时程8.弹塑性动力时程计算结果总信息”，并得到如下布置隔震器时层最大剪力：各层最大剪力(kN)地震方向 0 度:层号 地震波 11 26.522 26.433 23.974 22.475 19.53快速入门深圳市广厦软件有限公司236 15.447 9.0
19、3未布置隔震器结构的 1-6 层对应布置隔震器结构的 2-7 层，求得最大层剪力比：9.03/48.24=0.187，根据抗规 12.2.5 求隔震后的最大水平地震影响系数 0.04。打开工程“GscadExamFrame.prj”， 在录入 GSSAP 地震信息中输入隔震后的最大水平地震影响系数 0.04，采用 GSSAP 进行弹性反应谱分析。4.2 隔震层的计算在“图形方式-墙柱内力”弹出如下对话框查看 Frame 第 1 结构层的恒载和活载作用下柱内力。快速入门广东省建筑设计研究院24有隔震的墙柱下恒载和活载轴力，隔震支座在“恒载+0.5 活载”组合的竖向压应力不应超过下表的限值。橡胶隔
20、震支座平均压应力限值建筑类别 甲类建筑 乙类建筑 丙类建筑压应力(MPa) 10 12 15在“图形方式-弹塑时程-弹塑性动力时程计算结果总信息” 中查看如下 Frame1 一层的最大位移，满足抗规 12.2.6 的要求。各层最大位移(mm)地震方向 0 度:快速入门深圳市广厦软件有限公司25层号 地震波 11 1.815 消能计算5.1 布置阻尼器点按“主控菜单找旧工程”，打开 GscadExamFrame.prj。采用设置三维视图“Set3D”弹出如下对话框选择显示方式为单线模式。平面图出现：快速入门广东省建筑设计研究院26采用两点斜柱“ClinoCol”，输入如下斜柱。采用设置柱连接单元
21、命令“ColConnect”，点按左上角的参数窗口，弹出如下对话框选择连接类型为阻尼器。快速入门深圳市广厦软件有限公司27确认后，点选斜柱，指定此斜柱为阻尼器。点按“平面图形编辑生成计算数据生成 GSSAP 计算数据”，关闭如下警告，退出录入系统。5.2 求罕遇地震下弹塑性最大层间位移角点按“主控菜单楼板、次梁和砖混计算”和“主控菜单通用计算 GSSAP”，完成弹性计算。快速入门广东省建筑设计研究院28点按“主控菜单弹塑性计算 GSNAP”，弹出如下对话框点选“动力时程分析”。弹出弹塑性动力时程分析总体信息对话框输入参数。根据抗规 5.1.4 计算罕遇地震作用时，特征周期应增加 0.05s，优
22、先选择特征周期对应的地震波，没有时可选择特征周期大一级的地震波。本工程场地类别 II，设计地震分组一组，特征周期 0.35s，计算罕遇地震作用时，特征周期为 0.4s，选择地震波 RH1TG040。根据抗规表 5.1.2-2，输入 7 度峰值加速度 220cm/s2。为算快点，输入地震波终止时刻 3s。点按“主控菜单-文本方式” 查看“周期和地震作用” 中地震作用方向的第一周期0.903 和第二周期 0.293，乘周期折减系数 0.8 后填入对话框。第一周期不一定是最大周期，第二周期不一定是排第二的周期，根据平动系数可判定此周期与 XY 方向是否有关系。快速入门深圳市广厦软件有限公司29实际工
23、程中其它参数一般不用修改，确认，运行 GSNAP 的弹塑性动力时程分析，一直到计算完成时点按“退出” 。点按“主控菜单图形方式弹塑时程1.楼层最大响应曲线”，点按“层间位移角”，显示如下最大层间位移角曲线，查看最大层间位移角是否满足消能结构弹塑性变形的要求。5.3 计算总阻尼比如下求总应变能。在“文本方式-周期和地震作用”的地震反应谱分析结果中查看如下阻尼器布置方向的地震剪力换算的水平力 Fi。4.地震反应谱分析结果0.0 度方向.层号 地震力(kN) 地震剪力(kN) 倾覆弯矩(kN.m) 地震剪力换算的水平力(kN)1 83.75 666.10 8239.99 41.232 136.89
24、624.87 6345.39 71.623 142.53 553.26 4574.25 90.684 151.14 462.57 2988.53 112.865 160.18 349.71 1641.15 149.306 200.41 200.41 601.24 200.41在“文本方式-结构位移”查看给定 CQC 地震剪力换算的水平力并考虑偶然偏心快速入门广东省建筑设计研究院30下的位移，+ex 和-ex 层平均位移相加为地震作用对应的位移 ui（若地震信息中质量偏心改为 0.0，取其中一个位移即可）。3.给定 CQC 地震剪力换算的水平力并考虑偶然偏心下的位移比工况 1 - +ex 地震方
25、向 0 度位移与地震同方向,单位为 mm层位移比=最大位移/层平均位移层间位移比=最大层间位移/平均层间位移层号 塔号 构件编号 水平最大位移 层平均位移 层位移比 层高(mm) 有害位移构件编号 最大层间位移 平均层间位移 层间位移比 层间位移角 比例(%) 1 1 柱 9 1.30 1.08 1.20 3000柱 9 1.30 1.08 1.20 1/2307 100.02 1 柱 9 3.40 3.14 1.08 3000柱 9 2.10 2.06 1.02 1/1430 42.63 1 柱 9 5.38 5.14 1.05 3000柱 1 2.01 1.99 1.01 1/1495 2
26、6.94 1 柱 9 7.06 6.83 1.03 3000柱 1 1.71 1.70 1.01 1/1749 22.15 1 柱 9 8.33 8.12 1.03 3000柱 1 1.31 1.29 1.02 1/2292 15.26 1 柱 9 9.08 8.90 1.02 3000柱 1 0.80 0.80 1.00 1/3758 100.0-最大层间位移角= 1/1430(及其层号=2)求得总应变能 Ws=(1/2) Fiui=41.23*1.08+71.62*3.14+90.68*5.14+112.86*6.83+149.30*8.12+200.41*8.90=4502.31(kN.mm)根据阻尼器所在层的层间位移 1.08mm，即为阻尼器两端水平位移差 uj，再根据阻尼器厂家提供的材料求总的耗散能量 Wc=Wcj；求得阻尼器附加给结构的有效阻尼比 Wc/Ws，与原结构阻尼比相加得到总阻尼比。在录入 GSSAP 地震信息中输入总阻尼比，采用 GSSAP 进行弹性计算。
