Midas-Gen在减震结构动力弹塑性分析的应用

Midas-Gen在减震结构动力弹塑性分析的应用

徐伟1夏昊2

（1中南建筑设计院股份有限公司湖北武汉430071

（2中国建筑科学研究院北京100013）

【摘要】随着我国抗震设计的发展，消能减震在结构中的应用也已经非常普遍。其中，屈曲约束支撑的应用是最为普遍的，因规范规定，消能减震结构均应做弹塑性分析计算，但由于消能减震应用往往伴随减震设备的销售，并且在方案阶段就要提供弹塑性分析报告，如果都用ABAQUS分析，时效性太慢，MIDAS-GEN有屈曲约束支撑单元，有超高的时效性，因此在减震结构动力弹塑性分析中应用广泛。

【关键词】迈达斯；动力弹塑性；屈曲约束支撑

【中图分类号】TU74【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）24-0056-02

1.引言

近几年，随着我过超高层、减隔震的大力发展，动力弹塑性分析的需求日益增加，但是ABAQUS这种大型有限元分析软件的运算效率已经无法满足当今时代日益增长的弹塑性分析需求，因此MIDAS-GEN、SAUSAGE、YJK-EP这些弹塑性分析软件的不断升级、不断改进已经在中大型项目或者减隔震项目中广泛应用。本文主要介绍MIDAS-GEN在含屈曲约束支撑的结构中动力弹塑性分析应用步骤。

2.弹塑性分析详细步骤

2.1结构模型的转换和对比

将用于小震设计的PKPM模型或者YJK模型通过YJK转换接口导入到MIDAS-GEN中，然后进行模型准确性校核，通过反应谱分析校核六要素：前三阶周期及对应振型、振型质量参与系数、总质量、基底剪力与层间位移角。这里需要特别注意，要特别留意转换过后要注意校核程序的地震输入信息、嵌固端信息、节点束缚信息是否吻合，以免出错。

对于转换过来的MIDAS-GEN模型有几点要特别注意：（1）要自动生成墙号后需要按同一位置修改墙号；（2）要注意质量源不要重复定义；（3）要注意层信息中刚性楼板不能重复定义。

2.2屈曲约束支撑单元的模拟

在进行模型对比之前，需要进行两次对比，第一，是从PKPM采用等效线性单元模拟刚度的模型导入到MIDAS中进行一次对比，准确无误后，建立边界非线性单元在弹性计算时刚度和PKPM等效线性单元（一般用实心方钢截面）等效，再进行一次模型可靠性对比，最后的模型可靠性对比取PKPM等效线性单元与MIDAS中采用非线性滞后系统单元的模型进行对比。屈曲约束支撑采用边界非线性单元中的滞后系统，输入屈服力、刚度以及屈服后刚度比三个元素即可模拟线性和非线性要素，当弹性分析时只考虑线性要素，当弹塑性分析时考虑非线性要素。

建立非线性单元的小技巧：在原有的支撑几何模型中，用两点方式直接建立，然后删除原等效线性单元即可。

2.3多遇地震结构设计及配筋修改

定义设计用的荷载组合，可自动生成，通过荷载组合定义荷载工况将重力荷载代表值工况建立进去作为后续时程分析的基础荷载。在MIDAS-GEN中直接进行构件设计，在一般控制信息里需要进行设计信息相关内容输入，比如编辑构件类型，角柱、转换梁、连梁、底部加强区剪力墙；比如定义抗震等级，地震作用放大系数等。进行RC结构设计，分别进行梁、柱、墙构件设计，对梁、柱按构件更新配筋，对墙按墙号+层进行更新配筋。配筋结束后如果有大量红色，需要分析导致红色的原因，是否是承载能力超限，需要调整模型或者修改配筋。修改配筋还有一种情况，比如对于PKPM做了等效弹性分析，中震不屈服设计，对于重要构件需要修改相应配筋，比如带屈曲支撑的结构需要对与支撑相连的关键构件进行按实际配筋进行修改以尽可能与实际结构吻合。

特别注意两点：（1）设计前需要定义荷载组合，在结果中点击荷载组合可以自动生成，若需要定义由工况组合生成的工况则需要首先在结果的荷载组合中定义对应的荷载组合（比如重力荷载代表值作为非线性分析的基础，那么就需要定义D+0.5L的荷载组合），然后使用荷载组合定义荷载工况选择已定义的荷载组合适用，而不是直接在静力荷载工况中定义；当点击适用后，对应的静力荷载工况就在静力荷载工况中生成了。（2）修改配筋小技巧：可以在显示控制中设计信息栏中选择梁、柱钢筋数据显示，根据对应的配筋编号信息修改对应配筋。

2.4设防地震下弹塑性时程分析

对于设防地震采用地震波选波规则同小震弹性时程地震波，无需重复判定地震波可行性。

A、在特性中输入非弹性铰并分配铰；比如梁、柱、墙、板结构，梁采用M铰，柱采用PMM铰，墙采用PM及V铰；所谓铰是指对应方向对应内力考虑弹塑性，按指定的屈服准则判定屈服状态。

B、先输入时程函数，注意输入主函数和辅函数，地面加速度荷载对应函数纵坐标单位应该输入无量纲加速度，时变常量荷载对应的时程函数应该是无量纲。区分中震和大震的唯一区别就是在于时程函数中定义纵坐标最大值。

C、然后定义时程荷载工况，注意每个函数每个方向都应有独立的荷载工况，所以一般三条地震波应该定义六个荷载工况。

D、再然后对时程荷载工况赋予信息，比如是地面运动加速度荷载还是时变常量荷载还是节点运动加速度荷载。注意在输入地面运动加速度荷载时，因为对于弹塑性时程分析地震波需要按双向输入，无论是X方向作为主方向或者Y方向作为主方向，主波和次波的函数是不会改变的。也就是说，主波无论是给X方向还是给Y方向，主波永远是主波，辅波永远是辅波。

E、注意时变常量荷载的应用，用动力模拟静力，为了模拟在时程分析前重力荷载代表值的作用对结构的内力和变形影响，在定义添加荷载工况时需要输入一个接前次工况，可以选用静力荷载工况，之前在荷载工况中利用荷载组合定义的D+0.5L，但是这样收敛性不好，为了更好的收敛，可以采用时变常量荷载将静力模拟为动力，可以更好的收敛。

F、这样就可以运行分析了。

2.5罕遇地震下弹塑性时程分析

罕遇地震下弹塑性分析的荷载施加过程以及非线性元素定义过程和设防烈度地震下基本相同，唯一不同的就是要注意时程函数的定义，最大值需要按设防地震对应的有效峰值加速度进行修改。另外罕遇地震下由于规范反应谱中的特征周期增加了0.05s，所以需要重新对地震波进行可行性判定，因为规范反应谱曲线发生了变化。最好选择和小震不同的地震波。

2.6结果查看及数据处理

首先在定义模型的时候需要设置几个模型文件，因为一个模型文件运行所有工况太慢，可以将中震X向三条波同时运行，中震Y向三条波单独建一个文件同时运行，这样速度快，也更可靠，安全性更高。

A、查看最大层剪力及层间位移角。

B、查看非弹性铰状态。

如果是采用克拉夫滞回模型，则看不到柱的铰状态只能看屈服状态，可能是程序bug，未研究出何原因，如果是采用随动硬化滞回模型，则可以看到铰状态并且可以看到两个阶段屈服的铰屈服状态。

C、查看结果表格中时程分析项中的一般连接可以查看对应连接单元最大内力和位移查找对应工况下的典型支撑。

D、查看时程图形滞后系统对应典型的内力变形滞回曲线。

E、查看同时刻截面内力，我们并不关心单独的内力最大值，各内力最大值互不相关，更关心的是弯矩最大时其他内力值，这时候可以用时程文本中显示同时截面内力。

参考文献

[1]王昌兴主编.MIDAS/Gen应用实例教程及疑难解答[M].2010中国建筑工业出版社.