广厦建筑结构弹塑性静力和动力分析软件GSNAP说明书第.docx

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：Gscad\Exam\Frame.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“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；
3) 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
15
2) 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，+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Δuj，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Gscad\Exam\Frame.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“静力推覆分析”。

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。

选择“5.结构的能力曲线、需求曲线和抗倒塌验算”，弹出如下对话框输入合理的地震参数。

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。

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Gscad\Exam\Frame.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“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

根据抗规表5.1.2-2，7度。
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。

选择“2.楼层平均时程响应曲线”，显示如下结构层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。

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1
1 155.03
2 154.44
3 156.47
4 131.87
5 95.91
6 48.24
如下求布置隔震器时层最大剪力。
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。

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）。

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。

采用设置柱连接单元命令“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。

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Gscad\Exam\Frame1.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“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。

7度。
。
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1
1 26.52
2 26.43
3 23.97
4 22.47
5 19.53
6 15.44
7 9.03

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“Gscad\Exam\Frame.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。

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
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:
层号 地震波1
1 1.81

4.3 消能计算布置阻尼器

点按“主控菜单—找旧工程”，打开Gscad\Exam\Frame.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：

采用两点斜柱“ClinoCol”，输入如下斜柱。

采用设置柱连接单元命令“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。

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。

4.4 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。
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。

根据抗规表5.1.2-2，7度。

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。

4.5 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 41.23
2 136.89 624.87 6345.39 71.62
3 142.53 553.26 4574.25 90.68
4 151.14 462.57 2988.53 112.86
5 160.18 349.71 1641.15 149.30
6 200.41 200.41 601.24 200.41
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 100.0
2 1 柱 9 3.40 3.14 1.08 3000
柱 9 2.10 2.06 1.02 1/1430 42.6
3 1 柱 9 5.38 5.14 1.05 3000
柱 1 2.01 1.99 1.01 1/1495 26.9
4 1 柱 9 7.06 6.83 1.03 3000
柱 1 1.71 1.70 1.01 1/1749 22.1
5 1 柱 9 8.33 8.12 1.03 3000
柱 1 1.31 1.29 1.02 1/2292 15.2
6 1 柱 9 9.08 8.90 1.02 3000
柱 1 0.80 0.80 1.00 1/3758 100.0
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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Δuj，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。