外文翻譯--彈塑性分析方鋼管混凝土框架結構的抗震性能 中文版

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

2、的片刻抵抗框架進行彈塑性分析。結果表明彈塑性分析對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，至少使用兩個負荷模式。對未來的方鋼管混凝土結構的彈塑性分析，用漢司公式或USC-RC計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-?因素嚴重影響了MRF的抗震性能，所以，在研究MRF的抗震性能時應把它拿出來進行研究。同時，對三類鋼筋混凝土結構進行分析比較,讓鋼筋混凝土結構和方鋼管混凝土結構進行抗震性能的比較。結果表

3、明,方鋼管混凝土結構的延性和抗震性能高于鋼筋混凝土結構。因此，在地震地區(qū)優(yōu)先推薦選用方鋼管混凝土結構。</p><p>　　關鍵詞: 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計和評估現(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)的無彈力分析來預計特定地震中強度和變形要求，并將這些要求與有效容量進行比較，從而推測出預期表現(xiàn)結構系統(tǒng)。彈塑性分析基于非線性的靜態(tài)分析，即假設在一個有一定高度的建筑上施加一個橫向荷載，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特征的預

5、測方面很有用：1）基本剪頂位移圖代表的建筑物能力；2）評估物的最高旋轉和延展性；3）極限荷載中塑性鉸的分布；4）以極限負荷中局部損害指數(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計人員運用于鋼筋混凝土建筑物，但是我們卻很少看到有其運用于地鐵的報道。</p><p>　　鋼管混凝土在建筑中的運用越來越廣泛。這部分歸功于它們極好的抗震能力，例如高強度、高柔韌性以及高能量吸收能力等。目前，對

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

7、論，與鋼筋混凝土相比，鋼管混凝土的抗震性能是相當好的。Li等在一個兩間三層的鋼管混凝土框架上作了實驗，通過對其施加垂直荷載和橫向荷載。在鋼管混凝土框架模型試驗基礎上，研究者們完成了非線性有限元分析。計算出的結果與實驗結果相符，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、適應性以及功效性的限制。這些方法中關于力學模型的樣子，副作用以及計算效率都需要進一步改進，

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，因此，近年來方鋼管混凝土結構已經(jīng)受到人們的廣泛關注，實際工程應用不斷增加。但是，到目前為止，有關方鋼管混凝土結構體系方面的研究還很少，因此，本文對一幢10 層方鋼管混凝土框架結構進行了彈塑性分析。</p><p><b>　　1 彈

9、塑性分析</b></p><p>　　根據(jù)對由方鋼管混凝土柱和鋼粱組成的10 層片刻抵抗的框架結構的研究。方鋼管混凝土結構的結構成員的計劃、標高, 和典型的橫斷面條件如圖1所示。使用SAP2000對方鋼管混凝土結構進行彈塑性分析 。在SAP2000中，把100 毫米深的大廈的地板當作殼元素，方鋼管混凝土柱和鋼粱當作框架元素。梁、柱結構的尺寸和材料如表1所示 。</p><p>

10、<b>　　1.1 鉸性能</b></p><p>　　地震時在框架結構中塑性鉸通常形成在梁、柱的兩端。對于梁單元,塑性鉸大多是由單向彎矩造成, 但是對于柱結構, 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該分別的應用彈塑性分析。</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鉸這個模型被應用在鋼粱上。計算鋼粱的片刻自轉曲線, 當滿足以下假定才適用: 1) 以古典雙線性硬化模型應用為代表的應力-應變行為的鋼梁; 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提出的

12、鋼筋混凝土模型計算方鋼管混凝土的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>　　在設計地震中橫向載荷模式旨在代表慣性力分布。顯然,對于不同程度（即彈性變形的程度）和不同時候的地震應配置不同的慣性力。在預計當?shù)卦O計地震中，由于沒有一個單一的模式能捕捉負荷變化的要求,因此，在預計

13、慣性力分布時，使用兩個方向的橫向荷載模式進行彈塑性分析。其一是倒三角型的橫向載荷剪力法計算基準；另一種是使用SAP2000設計荷載計算模式包括高級模式效果。橫向荷載應用在X方向和Y方向調(diào)查整體結構的抗震性能。</p><p>　　因為東等提出了參考P-?效應嚴重影響剛性框架的穩(wěn)定性。因此,為了調(diào)查P-?效應對方鋼管混凝土結構的抗震性能，推出了彈塑性分析和沒有占P-?效應。</p><p>

14、<b>　　1.3 結果</b></p><p>　　彈塑性分析的結果可以用來估計潛在的延性結構, 評價其抗荷載能力,并找出故障機制。因而分析彈塑性結果對獲得方鋼管混凝土結構的抗震性能非常有幫助。</p><p>　　1.3.1 荷載變形關系</p><p>　　在用彈塑性分析估計結構的抗震性能方面，結構的容量為代表的基礎架構與剪切位移圖是非常

15、有用的。用彈塑性分析獲得的結構容量曲線如圖4所示, 從中我們看到頂部位移過（1.6m）會造成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,當整個結構都形成塑性鉸就會導致AccelX(Y)-Han-P+、 AccelX(Y)-USC-RC-P+、and EQX(Y)-USC、RC-P+的終止。使用AccelX(Y)的側向荷載

16、模式比使用EQX(Y)的側向荷載模式下的底部抗剪強度要大的多。因此,我們可以得出結論：側向荷載作用下的彈塑性分析結果很精確。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方向計算整體結構的抗震性能.</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。使用漢司公式計算的M-和N-M曲線比那

17、些用USC-RC計算的屈服強度值要大, 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。屈服強度值的減小也是由于同樣的原因。故我們能得出結論,由于P-?的影響嚴重而影響框架的抗震性能, 因此我們應考慮到所有在未來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。在預測方鋼管混凝土結構的微弱變形方面，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移明顯高于其它層。所以, 從這個例子可以看出，方鋼管混凝土結構的微弱的部分應該是第一到三層, 并且他們在工程學應用必須加強。</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的持力層產(chǎn)生，如圖6.a所示。隨著側向荷載的增加, 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，由于整體結構頂部位移超出目標或出現(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論:一到三層應該是弱段方鋼管混凝土結構，而在工程應用中他們必須要加強。這樣的結論與1.3.2的結論相一致。</p><p><b>　　2 對比</b><

21、;/p><p>　　為了比較方鋼管混凝土結構與鋼筋混凝土結構的地震表現(xiàn),我們研究了四種10層框架結構的方鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土柱。使用SAP2000對這些結構進行彈塑性分析 。為比較的便利，除了垂直的柱之外結構是幾乎完全相同,它們都是用不同的材料和層面組成如表2示。尺寸相當于鋼筋混凝土柱強度計算基礎上,與方鋼管混凝土柱等價的彈性模量. 尺寸相當于鋼筋混凝土柱強度計算基礎上,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 是轉動慣量, 并且B 為方鋼管混凝土的邊長。為對這些不同結構進行彈塑性分析 , 使用由SAP2000計算的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構的X方向容量曲線（圖7a），我們也許會發(fā)現(xiàn)：由于方鋼管混凝土結構頂部的位移超過了1.6m，而超出了彈塑性分析

23、的使用范圍被迫停止。此時的結構已轉變成了塑性絞結構。但鋼筋混凝土結構頂位移達不到此目標, 我們可以得出這樣的結論:方鋼管混凝土結構的延性和變形能力比鋼筋混凝土結構的延性和變形能力優(yōu)越.而且，方鋼管混凝土的屈服強度和底部抗剪強度比鋼筋混凝土結構高，故方鋼管混凝土結構的抗震能力優(yōu)于鋼筋混凝土結構的抗震能力。此結論也可由圖7b看出。</p><p>　　方鋼管混凝土結構和圓鋼管混凝土結構的彈塑性分析結果比較如圖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。結果，在這個模型中方鋼管混凝土結構的抗震能力比圓鋼管混凝土結構優(yōu)越。</p><p><b>　　3 結論</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層框架結構的抗震性能，用彈塑性分析比較方鋼管混凝土, 圓鋼管混凝土, 和鋼筋混凝土結構在地震下的反應得出如下結論：</p><p>　　1）彈塑性分析結果表示, 方鋼管混凝土結構的延展性和抗震能力比鋼筋混凝土結構優(yōu)越。故，在地震地區(qū)優(yōu)先推薦選用方鋼管混凝土結構。</p>

26、<p>　　2）因為彈塑性分析結果對側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負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果存在輕微地影響。所以, 對未來的方鋼管混凝土結構的彈塑性分析，曲線計算、漢司公式計算或USC-RC計算都是適用的。</p><p>　　4）因為P-?因素嚴重影響到MRF的抗震