抗震分析设计在midas中的实现
北京迈达斯技术有限公司
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黄竞
抗震分析方法
抗震分析设计方法：
底部剪力法
小震不坏
反应谱分析 弹性时程分析
中震可修
静力弹塑性分析（PUHSOVER)
大震不倒
动力弹塑性分析
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抗震分析方法
小震分析
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弹性时称分析
抗规5.1条要求：
我国抗规建议，对特别不规则的建筑，甲类建筑，7、8度区，一、二类场 地上高度大于80m的建筑，8度区三、四类场地和9度区高度大于60m的建 筑采用弹性时程分析法对其在多遇地震下的抗震承载力与变形进行补充计 算。
弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振 型分解反应谱法计算结果的65% ，多条时程曲线计算所得结构底部 剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。
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弹性时称分析
频谱特性 由特征周期反映，依据所处的场地类型和特征周期分区确定。 有效峰值
《建筑抗震设计规范》时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值 (cm/s^2) 地震影响 6度 7度 8度 9度
多遇地震
罕遇地震
18
-
35(55)
220(310)
70(110)
400(510)
140
620
持续时间 一类指地震地面加速度值大于某值的时间总和。 一类以相对值定义相对持时，即最先与最后一个之间的时段长度。
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弹性时称分析
定义地震波----频谱特性
程序自带30多条地震波，如下图
对于自定义的地震波，可以采用execl表格直接粘贴或采用地 震波生成器生成
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弹性时称分析
定义地震波-----峰值加速度
规范5.1.2条规定地震波峰值如下图：
表5.1.2-2时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值（cm/s2) 地震影响 多遇地震 罕遇地震 6度 18 一 7度 35(55) 220（310） 8度 70(110) 400（510） 9度 140 620
注：括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。
对地震波进 行调整
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弹性时称分析
定义时程荷载工况-----持续时间
说明：采用振型叠加 法，一定要定义特征 值分析控制
分析时间：时程分析的 总的时间长度 高规3.3.5规定如下：
地震波的持续时间不宜小于 建筑结构基本自振周期的 3～4倍，也不宜少于12s， 地震波的时间间距可取0.01 s或0.02s
输出时间步长：
输出时程分析结果的 时间步骤数。将以(输 出步骤数 x 时间增量) 的间隔生成结果。
阻尼：程序提供
1.振型阻尼 2.质量和刚度因子（瑞利阻尼）
3.应变能因子
接续前次：
把前次荷载工况的位移、速 度、加速度、内力、铰的状 态、非线性连接单元等作为 这次荷载工况的初始条件进 行分析
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弹性时称分析
定义地面加速度
函数名称：从列表中选择要
使用的地面加速度。
系数：地面加速度的整系数。
到达时间：地面加速度开始
作用于结构上的时间。 注: 在"到达时间"之前的时间， 地面加速度的数据为零，对 结构不发生作用。定义到达 时间的目的是反映几个时程 荷载作用在同一结构上，且 各荷载发生作用的时间不同 时的结构反应。
水平地面加速 度的角度：
水平地面加速度 作用方向与整体 坐标系X轴的夹角。
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弹性时称分析
层间位移角
层剪力
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抗震分析方法
中震分析设计
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中震分析设计
《抗规》中对中震设计的内容涉及很少，仅在总则中提到“小震不坏、 中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，但没有给出中震设计的判断 标准和设计要求，我国目前的抗震设计是以小震为设计基础的，中震 和大震则是通过地震力的调整系数和各种抗震构造措施来保证的，但 随着复杂结构、超高超限结构越来越多，对中震的设计要求也越来越
多，目前工程界对于结构的中震设计有两种方法：
第一种按照中震弹性设计； 第二种是按照中震不屈服设计； 而这两种设计方法在MIDAS/Gen中都可以实现
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中震分析设计
一、中震弹性设计 结构的抗震承载力满足弹性设计要求，最大地震影响系数α按表1取值， 在中震作用下，设计时可不考虑地震组合内力调整系数（即强柱弱梁、 强剪弱弯调整系数），但应采用作用分项系数、材料分项系数和抗震承 载力调整系数，构件的承载力计算时材料强度采用设计值。 表1 地震影响系数（β为相对于小震的放大系数）
设防烈度 7度 7.5度 8度 8.5度 9度
小震α
中震α 大震α 中震放大系数β 大震放大系数β
0.08
0.23 0.50 2.875 6.25
0.12
0.33 0.72 2.75 6
0.16
0.46 0.90 2.875 5.625
0.24
0.66 1.20 2.75 5
0.32
0.80 1.40 2.5 4.375
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中震分析设计
1、在MIDAS/Gen中定义中震反应谱 主菜单》荷载》反应谱分析数据》反应谱函数：定义中震反应谱，即在 定义相应的小震反应谱基础上输入放大系数β即可，β值按表1取用。
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中震分析设计
2、定义设计参数时，将抗震等级定为四级，即不考虑地震组合内力调整 系数（即强柱弱梁、强剪弱弯调整系数）。 主菜单》设计》钢筋混凝土构件设计参数》定义抗震等级：将抗震等级定 为四级即可。
3、其它操作均同小震设计。
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中震分析设计
二、中震不屈服设计 地震作用下的内力按中震进行计算，最大地震影响系数α按表1取值，地震 作用效应的组合均按《高规》第5.6节进行，但分项系数均取1.0，计算可 不考虑地震组合内力调整系数（即强柱弱梁、强剪弱弯调整系数），构件 的承载力计算时材料的强度取标准植。
1、在MIDAS/Gen中定义中震反应谱 内容同中震弹性设计。 2、定义设计参数时，将抗震等级定为四级，即不考虑地震 组合内力调整系数（即强柱弱梁、强剪弱弯调整系数）。 内容同中震弹性设计。
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中震分析设计
3、定义荷载组合时将地震作用分项系数取为1.0。
主菜单》结果》荷载组合：将各项荷载组合中的地震作用分项系数取为 1.0即可。
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中震分析设计
4、将材料分项系数定义为1.0，即构件承载力验算时取用材料强度的标准 植。 主菜单》设计》钢筋混凝土构件设计参数》材料分项系数：将材料分项 系数取为1.0即可。
5、其它操作均同小震设计。
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大震分析 大 震 分 析
方法 优缺点
静力弹塑性分析
方法简单，便于理解。与时程分析法相比,Pushover方法概念清 晰,实施相对简单,同样能使设计人员在一定程度上了解结构， 在强震作用下的反应,迅速找到结构的薄弱环节。
动力弹塑性分析
对软硬件要求比较高，计算时间长，结果不便于整理，但能真 是的反应结构在大震下的状态。
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抗震分析方法
静力弹塑性分析 （PUSHOVER）
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静力弹塑性分析（Pushover分析）
Pushover分析是考虑构件的材料非线性特点，分析构件进入弹塑性状态直至到达极限 状态时结构响应的方法。 Pushover分析是最近在地震研究及耐震设计中经常采用的基于性能的耐震设计(Perfor mance-Based Seismic Design, PBSD)方法中最具代表性的分析方法。 所谓基于性能的耐震设计就是由用户及设计人员设定结构的目标性能(target perform ance)，并使结构设计能满足该目标性能的方法。 Pushover分析前要经过一般设计方法先进行耐震设计使结构满足小震不坏、中震可修 的规范要求，然后再通过pushover分析评价结构在大震作用下是否满足预先设定的目 标性能。
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静力弹塑性分析（Pushover分析）
Pushover分析是通过逐渐加大预先设定的荷载直到最大性能控制点位置，获得荷载－位 移能力曲线(capacity curve)。
roof
F
Capacity Curve
Capacity Spectrum
Vbase
Pushover Analysis
Sa
transform
Vbase
roof
MDOF System
Sd SDOF System
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静力弹塑性分析（Pushover分析）
多自由度的荷载－位移关系转换为使用单自由度体系的加速度－位移方式表现的能力谱 (capacity spectrum)，地震作用的响应谱转换为用ADRS(Acceleration-Displacement Response Spectrum)方式表现的需求谱(demand spectrum)。
Sa
Sa
transform
Tn
Response Spectrum
Tn,1
Tn2 Sd 2 Sa 4
Tn,2
Demand Spectrum
Sd
5% Elastic Spectrum Performance Point Demand Spectrum
通过比较两个谱曲线，评价结构在弹塑 性状态下的最大需求内力和变形能力， 通过与目标性能的比较，决定结构的性 能水平(performance level)。
Sa
Amax
Capacity Spectrum
Dmax
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Sd
静力弹塑性分析（Pushover分析）
分析目的
经Pushover分析后,得到性能点,根据性能点时的变形,对以下三个方面进行 评价: 1)顶点侧移 是否满足抗震规范规定的弹塑性顶点位移限值
2)层间位移角 是否满足抗震规范规定的弹塑性层间位移角限值。
3)构件的局部变形 是指梁、柱等构件塑性铰的变形,检验它是否超过建筑 某一性能水准下的允许变形
操作步骤
---静力分析后进行配筋设计，并更新配筋 ---定义静力弹塑性分析主控数据 ---定义静力弹塑性分析工况 ---定义铰特性值，并分配铰
---计算并查看静力弹塑性分析结果
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建模及进行静力分析
步骤同“钢筋混凝土结构抗震分析及设计”
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更新配筋
方法1：利用程序配筋设计的结果
作用：将配筋结果赋予构件，做PUSHOVER分析时需要用到截面实配钢筋结果。
对于梁柱，“排序” 选为“特性值”， “更新配筋”项激 活
点“全选”按钮可 自动勾选构件
别忘了最后更 新配筋
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更新配筋
对于墙，“排序”选 为“墙号＋层”， “更新配筋”项激活
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更新配筋
方法2：利用用户定义的配筋结果 若在此编辑验算用截面，则构件的最终实配配筋结果采用此定义的
勾选要编辑验算的构件截面
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Pushover主控数据
定义初始荷载
在PUSHOVER 荷载工况中选择考虑初始荷载。 考虑轴力变化的影响时需要考虑初始荷载
定义收敛条件
适用于所有PUSHOVER荷载工况
设置刚度折减率默认值
定义PUSHOVER铰的刚度折减率默认值： 在此修改默认 值后点击确认键，则所有铰的刚度折减率都将自动修改。
自动计算具有分布型铰特性的梁单 元的屈服强度时，需要参考特梁单元某 个位置的特性(如配筋) → I端、J端、 中心
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Pushover荷载工况
Pushover荷载工况涉及的两个问题
A、如何推？
B、推到何种程度?
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Pushover荷载工况
MIDAS/Gen中提供两种Pushover分析方法，即基于荷载增分的荷载控制 法和基于目标位移的位移控制法。
MIDAS/Gen的荷载控制法采用全牛顿－拉普森（Full Newton-Raphson）方法。 牛顿－拉普森方法是采用微分原理求解的方法，其优点是速度快。采用荷载增 分的Pushover分析方法的图形介绍如下。
荷载
将最终(n+1)步骤的增分量作为后 面的增分荷载 等差级数对应的 增分荷载 预测的坍塌荷载 Qud*X 分析获得的 最终荷载(坍塌荷载) Qu
弹性极限
位移
基于荷载增分法的Pushover分析
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Pushover荷载工况
基于目标位移的位移控制法
MIDAS/Gen的位移控制法是由用户定义目标位移，然后逐渐增加荷载直到达到目 标位移的方法。目标位移分为整体控制和主节点控制两种，整体控制是所有节 点的位移都要满足用户输入最大位移，位移也是整体位移，不设置某一方向的 位移控制。主节点控制是用户指定特定节点的特定方向上的最大位移的方法。 基于性能的耐震设计大部分是先确定可能发生最大位移的节点和位移方向后给 该节点设定目标位移的方法。
初始的目标位移一般可假定为结构总高度的1%、2%、4%。这些数值一般相当于 最大层间位移值，与结构的破坏情况相关。
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Pushover荷载工况
输入步骤数
输入大于1的整数（nstep>=1)
• 推荐最小输入20(默认值： 20)
选择是否考虑初始荷载
选择考虑则使用PUSHOVER主控数据中定义的初始荷载 当使用PMM类型(考虑轴力的变化)铰时，需要更新铰的 屈服强度，此时应选择考虑初始荷载。
选择是否考虑P-Delta分析
选择增量控制方法： 荷载控制、 位移控制
定义PUSHOVER荷载工况
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Pushover荷载工况
周期与振型 结果窗口
最大位移一般为 总高度×弹塑性层间位 移角限值，参见《建筑抗震设计规范》 5.5.5 条
选择基本模态作为Pushover荷载的分布 模式
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Pushover荷载工况
加载方式
FEMA-273推荐三种形式: 1)均匀分布:各楼层侧向力可取所在楼层质量； 2)倒三角形分布:结构振动以基本振型为主时的惯性力的分布形式,类似于我 国规范中用底部剪力法确定的侧向力分布； 3)SRSS分布:反应谱振型组合得到的惯性力分布。 midas程序提供了自定义分布、均匀加速度分布和振型荷载分布三种加载方式 均匀加速度分布：提供的侧向力是用均一的加速度和相应质量分布的乘积获得 的； 振型荷载分布：提供的侧向力是用给定的振型和该振型下的圆频率的平方(ω2)
及相应质量分布的乘积获得的,可以取任何一个振型其中,均匀加速度方法相当
于均匀分布,振型荷载分布方法,当取第一振型时,相当于倒三角分布，用户也可 以自定义水平力。采用振型荷载分布要有振型分析。
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定义铰特性值
MIDAS/Gen中铰特性的说明
二维梁单元和三维梁－柱单元模型 桁架单元模型
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定义铰特性值
MIDAS/Gen中铰特性的说明
三维墙单元模型由中间的线单元，上下两端的刚性杆构成。中间的线单元与三
维梁－柱单元相同，刚性杆在xz平面内做刚体运动。
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定义铰特性值
弯矩-旋转角(M-θ)本构单元
内力成分
Fx（轴力） Fy, Fz（剪力） Ｍｘ （扭矩）
铰特性 轴力-位移（相对位移） 剪力-剪切应变 弯矩-旋转角 弯矩-旋转铰
初始刚度
EA/L GAs GJ/L 6EI/L,3EＩ/L,2EＩ/L
铰位置 单元中心 单元中心 单元两端 单元两端
Ｍy, Ｍz
（弯矩）
弯矩-曲率(M-Φ)本构单元： 集中型、分布型
内力成分
Fx（轴力） Fy, Fz（剪力） Ｍｘ （扭矩） Ｍy, Ｍz （弯矩）
铰特性 轴力-应变 剪力-剪切应变 弯矩-曲率 弯矩-曲率
初始刚度
EA
铰位置 积分点位置 积分点位置 积分点位置 积分点位置
GＡs
GJ EＩ
桁架单元（轴力)
内力成分
Fx（轴力）
铰特性
轴力-位移（相对位移）
初始刚度
EA/L
铰位置
单元中心
一般连接单元
内力成分
Fx（轴力） Fy, Fz（剪力） Ｍｘ （扭矩） Ｍy, Ｍz （弯矩）
铰特性 轴力-变形（相对位移） 剪力-变形（相对位移） 弯矩-旋转角 弯矩-旋转铰
初始刚度 用户输入（EA/L） 用户输入（Gas/Ｌ） 用户输入（GJ/L） 用户输入（EI/L）
铰位置 单元中心 单元中心 单元中心 单元中心
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定义铰特性值—M铰（FEMA）
1 3 4 5 1
选择屈服强度的输入方法 选择I、J端的特性是对称还是非对称 单元两端特性为非对称时在此输入 选择受拉和受压区段特性是否相同 输入M/MY、D/DY 输入屈服强度 用户输入屈服变形(新增) 输入容许标准 输入初始刚度(新增)
2
2
3 4 5 6
8 6 7 9
7
8 9
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定义铰特性值—PMM 铰（FEMA）
1
2 1 3
选择P-M-M类型时将自动勾选My-Mz内力成分 P-M-M类型仅适用于梁柱单元和墙单元 膜类型的墙单元只能定义面内成分My的非线性特性(面外为弹性)
选择骨架曲线类型： My和Mz只能选择同样类型的曲线 ＊．PMM铰的刚度折减系数在屈服面特性窗口中进行设置。 屈服面特性窗口
6
屈服强度的定义： 自动计算时不必用户输入 － 考虑轴力变化的影响时，在各步骤计算中都将考 虑变化的轴力对屈服面的影响。 定义屈服面： 自动计算时不必输入
4
2 3 4 6 5
选择屈服面特性的计算方法 定义刚度折减系数
7
5
7
ＰＭＭ铰类型中即使选择了用户输入也不能修改屈 服强度 实际分析中并不使用该值。
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分配PUSHOVER铰特性值
用鼠标选择要分配的特性后拖放到模型画面上 → 分配了铰特性的单元上将显示铰标签
注意事项
选择的单元类型与铰特性不匹配时不能分配 • 一般连接单元不能使用鼠标拖放功能分配铰特性
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修改PUSHOVER铰特性值
修改已定义的Pushover铰特性的方法 最常用的方法，推荐方法
一次性修改多个单元的铰特性 在定义铰特性值窗口中直接修改 则被分配了该特性的单元的铰特性值将同时被修改 “定义铰特性值”: 可以修改铰特性的所有内力成分
1
1
修改“MM”
2
2
被分配了“MM”特性的所有单元的特性将被同时修改
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查看分配的铰
Gen V712(旧版本) Gen V730(新版本)
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运行静力弹塑性分析
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查找性能控制点
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查找性能控制点
性能控制点
性能控制点 所对应的结 构相关结果
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性能控制点确定方法
Procedure-A
是ATC-40中提供的基本方法，首先将能力谱中斜率为初始刚度的切线和阻尼比为5%的弹性设 计响应谱的交点作为初始的性能点。然后确定初始性能点位置的等效阻尼，然后求使用有效 阻尼系数的非线性设计响应谱，然后重新计算交叉点作为性能点。重复上述过程，直到在使 用有效阻尼系数的非线性设计响应谱和能力谱的的交点位置上位移响应和加速度响应的变化 量在误差范围内，将此时的交点视为性能点。采用Procedure-A方法确定性能点的方法参见下 图。
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性能控制点确定方法
Procedure-B
ATC-40中计算性能点的第二种方法是首先假设位移延性比，然后计算对应延性比的结构的结 构的有效周期，将有效周期直线和5%弹性设计响应谱的交点作为初始的性能点。对弈于假定 的位移延性比的放射线状的有效周期和非线性设计响应谱的交点将形成一个轨迹线，该轨迹 线与结构的能力谱的交点为最终的性能点。
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Pushover图形－层剪力
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Pushover图形－层间位移角
最大弹塑性层间 位移角，判断是 否满足《建筑抗 震设计规范》 5.5.5 条或高规 4.6.5条要求
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各步骤铰状态图形结果
显示分析中使用的荷载参数
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Pushover铰状态结果
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塑性铰状态说明
ATC-40将房屋遭受地震后,可能出现的状态主要分为：
IO(ImmediateOccupancy) -立即居住
DC(DamageControl) -损坏控制 LS(LifeSafety) -生命安全
SS(StructuralStability)-结构稳定
ATC-40给出了梁、柱、墙等构件在上述几种相应状态下的塑性限值,无论何种类 型铰,都可以用图表示,纵轴表示轴力、弯矩、剪力等,横轴表示轴向变形、曲率、 转角等,其中B、IO、LS、CP(CollapsePrevention)、C为性能点,其中B点出现塑
性铰,C点为倒塌点,CP为预防倒塌点,各性能点所对应的横坐标为相应的弹塑性
位移限值。
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铰状态表格统计
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用图表形式绘制感兴趣的节点或单元的各种分析结果
Pushover分析结果图表
2 6 3
5
1
7
8
4
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抗震分析方法
动力弹塑性分析
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动力弹塑性分析
定义地震波-----峰值加速度
规范5.1.2条规定地震波峰值如下图：
表5.1.2-2时程分析所用地震加速度时程曲线的最大值（cm/s2) 地震影响 多遇地震 罕遇地震 6度 18 一 7度 35(55) 220（310） 8度 70(110) 400（510） 9度 140 620
注：括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。
对地震波进 行调整
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动力弹塑性分析
定义时程荷载工况
采用直接积分法
接续前次：
把前次荷载工况的位移、速 度、加速度、内力、铰的状 态、非线性连接单元等作为 这次荷载工况的初始条件进 行分析。 可以利用由荷载组合建立荷 载工况生成静力荷载工况用 于接续。
1.质量和刚度因子（瑞利阻尼） 2.应变能因子
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动力弹塑性分析
定义铰特性值
铰类型： 梁：无 -my，mz 柱：强度p-m-Fx， my， mz
所选构件类型
计算铰特性采用 的j截面
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动力弹塑性分析
铰状态-主菜单中选择结果 > 时程分析结果 > 非弹性铰状态
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谢谢大家