外文翻譯--彈塑性分析方鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能 中文版

1、<p>　　彈塑性分析方鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能</p><p>　　聶建國、秦 凱、肖 巖</p><p>　　土木工程系,清華大學(xué),北京100084,中國;</p><p>　　土木工程系、南加州大學(xué)、洛杉磯 證90089美國</p><p>　　摘要：為了調(diào)查方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能，對(duì)10 層由方鋼管混凝土柱和鋼粱組成

2、的片刻抵抗框架進(jìn)行彈塑性分析。結(jié)果表明彈塑性分析對(duì)橫向載荷模式是敏感的，因此，為了使慣性約束力量分布均勻，至少使用兩個(gè)負(fù)荷模式。對(duì)未來的方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，用漢司公式或USC-RC計(jì)算方鋼管混凝土柱的M-曲線和N-M表面相互作用都是適用的。P-?因素嚴(yán)重影響了MRF的抗震性能，所以，在研究MRF的抗震性能時(shí)應(yīng)把它拿出來進(jìn)行研究。同時(shí)，對(duì)三類鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較,讓鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能的比較。結(jié)果表

3、明,方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的延性和抗震性能高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。因此，在地震地區(qū)優(yōu)先推薦選用方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 方鋼管混凝土、彈塑性分析、容量曲線、鋼筋混凝土</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　在過去的二十多年里，多位學(xué)者提出并發(fā)展了彈塑性分析這一方法，包括Saiidi ,Sozen, Fajf

4、ar , Gaspersic, Bracci 等等。這種方法也被用來作為設(shè)計(jì)和評(píng)估現(xiàn)有建筑物的抗震性能的一種工具. 彈塑性分析的目的在于通過靜態(tài)的無彈力分析來預(yù)計(jì)特定地震中強(qiáng)度和變形要求，并將這些要求與有效容量進(jìn)行比較，從而推測出預(yù)期表現(xiàn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。彈塑性分析基于非線性的靜態(tài)分析，即假設(shè)在一個(gè)有一定高度的建筑上施加一個(gè)橫向荷載，并從0到最高限逐漸增加橫向荷載直至建筑崩潰。在此過程中，重力荷載是保持不變的。彈塑性分析在建筑物以下幾個(gè)特征的預(yù)

5、測方面很有用：1）基本剪頂位移圖代表的建筑物能力；2）評(píng)估物的最高旋轉(zhuǎn)和延展性；3）極限荷載中塑性鉸的分布；4）以極限負(fù)荷中局部損害指數(shù)的形式表示的建筑物中損害的分布。目前，盡管彈塑性分析已被許多研究者和設(shè)計(jì)人員運(yùn)用于鋼筋混凝土建筑物，但是我們卻很少看到有其運(yùn)用于地鐵的報(bào)道。</p><p>　　鋼管混凝土在建筑中的運(yùn)用越來越廣泛。這部分歸功于它們極好的抗震能力，例如高強(qiáng)度、高柔韌性以及高能量吸收能力等。目前，對(duì)

6、這些建筑的理論性研究主要集中在管道的靜態(tài)研究，而對(duì)其抗震性的研究則很少。對(duì)鋼管混凝土中彈性塑性歷史紀(jì)錄的分析已由Li等論述了。他們研究的結(jié)果顯示，在強(qiáng)烈地震荷載下， 建筑物會(huì)受到一些可修復(fù)的損傷，這也就證明了鋼管混凝土在抗震方面表現(xiàn)要好一些。研究了用作抗震實(shí)驗(yàn)的四棟五層建筑物，它們由鋼管混凝土和鋼筋混凝土組成的。SAP2000也用來計(jì)算建筑物的抗震反應(yīng)，已分析歷史記錄。鋼管混凝土和鋼筋混凝土的動(dòng)態(tài)行為和抗震反應(yīng)也被研究了。以此作者得出結(jié)

7、論，與鋼筋混凝土相比，鋼管混凝土的抗震性能是相當(dāng)好的。Li等在一個(gè)兩間三層的鋼管混凝土框架上作了實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)其施加垂直荷載和橫向荷載。在鋼管混凝土框架模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究者們完成了非線性有限元分析。計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，從而為鋼管混凝土抗震提供了一種適用方法。盡管最近幾年已有多位研究者研究了鋼管混凝土的抗震性，但彈塑性分析法仍然受到其合理性、適應(yīng)性以及功效性的限制。這些方法中關(guān)于力學(xué)模型的樣子，副作用以及計(jì)算效率都需要進(jìn)一步改進(jìn)，

8、而</p><p>　　方鋼管混凝土雖然約束效果不如圓鋼管混凝土顯著，但是由于具有節(jié)點(diǎn)形式簡單、截面慣性矩大、穩(wěn)定性能好、便于采取防火措施等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，近年來方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到人們的廣泛關(guān)注，實(shí)際工程應(yīng)用不斷增加。但是，到目前為止，有關(guān)方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)體系方面的研究還很少，因此，本文對(duì)一幢10 層方鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性分析。</p><p><b>　　1 彈

9、塑性分析</b></p><p>　　根據(jù)對(duì)由方鋼管混凝土柱和鋼粱組成的10 層片刻抵抗的框架結(jié)構(gòu)的研究。方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)成員的計(jì)劃、標(biāo)高, 和典型的橫斷面條件如圖1所示。使用SAP2000對(duì)方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析 。在SAP2000中，把100 毫米深的大廈的地板當(dāng)作殼元素，方鋼管混凝土柱和鋼粱當(dāng)作框架元素。梁、柱結(jié)構(gòu)的尺寸和材料如表1所示 。</p><p>

10、<b>　　1.1 鉸性能</b></p><p>　　地震時(shí)在框架結(jié)構(gòu)中塑性鉸通常形成在梁、柱的兩端。對(duì)于梁單元,塑性鉸大多是由單向彎矩造成, 但是對(duì)于柱結(jié)構(gòu), 塑性鉸主要由軸向荷載和雙向彎矩造成。所以, 在彈塑性分析中由梁和柱在不同受力情況下產(chǎn)生的不同類型的塑性鉸應(yīng)該分別的應(yīng)用彈塑性分析。</p><p>　　在SAP2000中, 使用M3 鉸模仿在單向彎矩作用下

11、造成的塑性鉸, 因此用戶定義的M3鉸這個(gè)模型被應(yīng)用在鋼粱上。計(jì)算鋼粱的片刻自轉(zhuǎn)曲線, 當(dāng)滿足以下假定才適用: 1) 以古典雙線性硬化模型應(yīng)用為代表的應(yīng)力-應(yīng)變行為的鋼梁; 2) 平面部分無窮大。鋼粱為典型的M-?曲線如圖2所示。</p><p>　　同樣, PMM鉸是由SAP2000使用模擬塑性鉸在軸向荷載和雙向彎曲的作用下造成的。因此,用戶定義的PMM 鉸適用于方鋼管混凝土柱模型。使用漢司公式和南加州大學(xué)提出的

12、鋼筋混凝土模型計(jì)算方鋼管混凝土的M-曲線和N-M互作用表面, 并做比較。方鋼管混凝土的典型的N-M相互作用表面和M-曲線如圖3所示。</p><p>　　1.2 橫向載荷模式</p><p>　　在設(shè)計(jì)地震中橫向載荷模式旨在代表慣性力分布。顯然,對(duì)于不同程度（即彈性變形的程度）和不同時(shí)候的地震應(yīng)配置不同的慣性力。在預(yù)計(jì)當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)地震中，由于沒有一個(gè)單一的模式能捕捉負(fù)荷變化的要求,因此，在預(yù)計(jì)

13、慣性力分布時(shí)，使用兩個(gè)方向的橫向荷載模式進(jìn)行彈塑性分析。其一是倒三角型的橫向載荷剪力法計(jì)算基準(zhǔn)；另一種是使用SAP2000設(shè)計(jì)荷載計(jì)算模式包括高級(jí)模式效果。橫向荷載應(yīng)用在X方向和Y方向調(diào)查整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。</p><p>　　因?yàn)闁|等提出了參考P-?效應(yīng)嚴(yán)重影響剛性框架的穩(wěn)定性。因此,為了調(diào)查P-?效應(yīng)對(duì)方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能，推出了彈塑性分析和沒有占P-?效應(yīng)。</p><p>

14、<b>　　1.3 結(jié)果</b></p><p>　　彈塑性分析的結(jié)果可以用來估計(jì)潛在的延性結(jié)構(gòu), 評(píng)價(jià)其抗荷載能力,并找出故障機(jī)制。因而分析彈塑性結(jié)果對(duì)獲得方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能非常有幫助。</p><p>　　1.3.1 荷載變形關(guān)系</p><p>　　在用彈塑性分析估計(jì)結(jié)構(gòu)的抗震性能方面，結(jié)構(gòu)的容量為代表的基礎(chǔ)架構(gòu)與剪切位移圖是非常

15、有用的。用彈塑性分析獲得的結(jié)構(gòu)容量曲線如圖4所示, 從中我們看到頂部位移過（1.6m）會(huì)造成AccelX(Y)-Han-P,AccelX(Y)-USC-RC-P,EQX(Y)-Han-P,EQX(Y)-USC-RC-P,和EQX(Y)-Han-P+終止,當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)都形成塑性鉸就會(huì)導(dǎo)致AccelX(Y)-Han-P+、 AccelX(Y)-USC-RC-P+、and EQX(Y)-USC、RC-P+的終止。使用AccelX(Y)的側(cè)向荷載

16、模式比使用EQX(Y)的側(cè)向荷載模式下的底部抗剪強(qiáng)度要大的多。因此,我們可以得出結(jié)論：側(cè)向荷載作用下的彈塑性分析結(jié)果很精確。而且, 容量曲線的趨向在X 方向和在Y 方向是相似的，如圖4所示。因此, 在這種情況下可以用一個(gè)方向計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的抗震性能.</p><p>　　參考圖4可知,盡管M-曲線和N-M的方鋼管混凝土柱的表面相互作用不同，但在有彈性區(qū)域它們的容量曲線幾乎重合。使用漢司公式計(jì)算的M-和N-M曲線比那

17、些用USC-RC計(jì)算的屈服強(qiáng)度值要大, 但與其它參量比較區(qū)別要小。</p><p>　　圖4顯示，在彈塑性分析中，由于P-?的影響最后基本剪力迅速地減少。屈服強(qiáng)度值的減小也是由于同樣的原因。故我們能得出結(jié)論,由于P-?的影響嚴(yán)重而影響框架的抗震性能, 因此我們應(yīng)考慮到所有在未來MRF 地震分析中可能發(fā)生的因素。</p><p>　　1.3.2 最后層間偏移</p><p

18、>　　在彈塑性分析中最后層間偏移值如圖5所示。在預(yù)測方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的微弱變形方面，這些數(shù)據(jù)是有用的。從圖5,我們看到一至三層的層間側(cè)移明顯高于其它層。所以, 從這個(gè)例子可以看出，方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的微弱的部分應(yīng)該是第一到三層, 并且他們?cè)诠こ虒W(xué)應(yīng)用必須加強(qiáng)。</p><p>　　1.3.3 分配塑性鉸 </p><p>　　在方鋼管混凝土柱及橫向載荷方向的P-?影響、M-?和 N-M

19、曲線的各彈塑性分析中，盡管橫向載荷的模式不同，但我們都可以發(fā)現(xiàn)有類似塑性鉸分布。圖6表示在不同水平的EQX-USC-RC-P?的彈塑性分析案中，混泥土框架塑性的產(chǎn)生和發(fā)展的程度。塑性鉸首先在柱基礎(chǔ)的持力層產(chǎn)生，如圖6.a所示。隨著側(cè)向荷載的增加, 塑性鉸出現(xiàn)于該地基各柱的第一層底部和第二層和第三層的部分柱。而且, 在二到六層的部分梁的兩端也出現(xiàn)塑性鉸如圖6b所示。最后，在梁和柱的兩端塑性鉸的數(shù)量不斷增加如圖6c 。隨著水平的荷載的增加塑

20、性絞的數(shù)量也跟著增加。最后，由于整體結(jié)構(gòu)頂部位移超出目標(biāo)或出現(xiàn)塑性絞而超出了彈塑性分析條件,在此階段（圖6d），柱的基礎(chǔ)部分的塑性鉸得到了充分的發(fā)揮，其余的方鋼管混凝土柱和塑性鉸鋼梁在第二至第三層也有一定的發(fā)展。由上我們可以得出這樣的結(jié)論:一到三層應(yīng)該是弱段方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，而在工程應(yīng)用中他們必須要加強(qiáng)。這樣的結(jié)論與1.3.2的結(jié)論相一致。</p><p><b>　　2 對(duì)比</b><

21、;/p><p>　　為了比較方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的地震表現(xiàn),我們研究了四種10層框架結(jié)構(gòu)的方鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土柱。使用SAP2000對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析 。為比較的便利，除了垂直的柱之外結(jié)構(gòu)是幾乎完全相同,它們都是用不同的材料和層面組成如表2示。尺寸相當(dāng)于鋼筋混凝土柱強(qiáng)度計(jì)算基礎(chǔ)上,與方鋼管混凝土柱等價(jià)的彈性模量. 尺寸相當(dāng)于鋼筋混凝土柱強(qiáng)度計(jì)算基礎(chǔ)上,使EA與方鋼管混凝土柱相等，其中E為柱的彈

22、性模量、 A是面積。同樣, 根據(jù)EI 相等計(jì)算等效鋼筋混凝土柱, 并且邊長等效鋼筋混凝土柱，其中I 是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 并且B 為方鋼管混凝土的邊長。為對(duì)這些不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析 , 使用由SAP2000計(jì)算的AccelX(Y)橫向荷載模式；P-?影響未被考慮。</p><p>　　從混凝土鋼管和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的X方向容量曲線（圖7a），我們也許會(huì)發(fā)現(xiàn)：由于方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)頂部的位移超過了1.6m，而超出了彈塑性分析

23、的使用范圍被迫停止。此時(shí)的結(jié)構(gòu)已轉(zhuǎn)變成了塑性絞結(jié)構(gòu)。但鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)頂位移達(dá)不到此目標(biāo), 我們可以得出這樣的結(jié)論:方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的延性和變形能力比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的延性和變形能力優(yōu)越.而且，方鋼管混凝土的屈服強(qiáng)度和底部抗剪強(qiáng)度比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高，故方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力。此結(jié)論也可由圖7b看出。</p><p>　　方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性分析結(jié)果比較如圖7所示。

24、根據(jù)了s A、 c A與方鋼管混凝土柱的sA、cA相等計(jì)算圓鋼管混凝土柱的尺寸, s A 是鋼管部分, 而c A 是被填裝的混凝土部分。雖然方鋼管混凝土柱比圓鋼管混凝土柱的軸向承載力低, 他們是優(yōu)越在抗彎能力。在這個(gè)模型中規(guī)定軸向壓縮比要小于0.2, 因此柱的抗彎能力比軸向承載能力重要。結(jié)果，在這個(gè)模型中方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力比圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)越。</p><p><b>　　3 結(jié)論</b

25、></p><p>　　在本文里，比較了由方鋼管混凝土柱, 圓鋼管混凝土柱, 和鋼筋混凝土柱組成的10層框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，用彈塑性分析比較方鋼管混凝土, 圓鋼管混凝土, 和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在地震下的反應(yīng)得出如下結(jié)論：</p><p>　　1）彈塑性分析結(jié)果表示, 方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的延展性和抗震能力比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)越。故，在地震地區(qū)優(yōu)先推薦選用方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。</p>

26、<p>　　2）因?yàn)閺椝苄苑治鼋Y(jié)果對(duì)側(cè)向荷載模式是敏感的, 所以在彈塑性分析中推薦至少使用兩個(gè)負(fù)荷模式使慣性力均勻分布。</p><p>　　3）方鋼管混凝土柱的M-曲線和N-M表面相互作用彈塑性分析結(jié)果存在輕微地影響。所以, 對(duì)未來的方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性分析，曲線計(jì)算、漢司公式計(jì)算或USC-RC計(jì)算都是適用的。</p><p>　　4）因?yàn)镻-?因素嚴(yán)重影響到MRF的抗震