外文翻译弹塑性分析方钢管混凝土框架结构的抗震性能

弹塑性分析方钢管混凝土框架结构的 抗震性能 摘要：为了 调查 方 钢管 混凝土 结构 的 抗震性能 ， 对 10 层由 方 钢管混凝土 柱 和钢粱 组成的 片刻抵抗框架进行 弹塑性分析。 结果表明弹塑性分析 对 横向载荷模式是敏感的 ，因此，为了使 惯性约束力量分布 均匀，至少使用两个负荷模式 。 对未来 的 方 钢管混凝土 结构的弹塑性分析 ，用汉司公式 或 算 方 钢管混凝土 柱 的 线 和 面 相 互作用 都 是适 用的 。 素严重影响了 抗震性能，所以，在研究 时， 对 三类 钢筋 混凝土结构进行分析比较 ,让 钢筋 混凝土结构和 方钢管混凝土结构 进行 抗震性能的 比较。 结果表明 ,方钢管 混凝土 结构 的 延性和抗震性能高于钢筋混凝土结构 。因此， 在地震地区 优先推荐选用 方 钢管混凝土 结构 。 关键词 : 方钢管混凝 土 、 弹塑性分析 、 容量曲线 、 钢筋混凝土 引言 在过去的二十多年里，多位学者提出并发展了弹塑性分析这一方法，包括 等。这种方法也被用来作为设计和评估现有建筑物的抗震性能的一种工具 . 弹塑性分析的目的在于通过静态的无弹力分析来预计特定地震中强度和变形要求， 并将这些要求与有效容量进行比较，从而推测出预期表现结构系统。弹塑性分析基于非线性的静态分析，即假设在一个有一定高度的建筑上施加一个横向荷载，并从 0 到最高限逐渐增加横向荷载直至建筑崩溃。在此过程中，重力荷载是保持不变的。弹塑性分析在建筑物以下几个特征的预测方面很有用： 1）基本剪顶位移图代表的建筑物能力； 2）评估物的最高旋转和延展性； 3）极限荷载中塑性铰的分布； 4）以极限负荷中局部损害指数的形式表示的建筑物中损害的分布。目前，尽管弹塑性分析已被许多研究者和设计人员运用于钢筋混凝土建筑物，但是我们却很少看到 有其 运 用于地铁的报道。 钢管混凝土在建筑中的运用越来越广泛。这部分归功于它们极好的抗震能力，例如高强度、高柔韧性以及高能量吸收能力等。目前，对这些建筑的理论性研究主要集中在 管道的静态研究，而对其抗震性的研究则很少。对钢管混凝土中弹性塑 性历史纪录的分析已由 论述了。他们研究的结果显示，在强烈地震荷 载 下， 建筑物会受到一些可修复的损伤，这也就证明了钢管混凝土在抗震方面表现要好一些。研究了用作抗震实验的四栋五层建筑物，它们由钢管混凝土和钢筋混凝土组成的。 用来 计算建筑物的抗震反应，已分析历史记录 。钢管 混凝土和钢筋混凝土的 动态 行为和抗震反应也被研究了。以此作者得出结论，与钢筋混凝土相比，钢管混凝土的抗震性 能 是相当好的。 在一个两间三层的钢管混凝土框架上作了实验，通过对其施加垂直荷载和横向荷载。在钢管混凝土框架模型试验基础上，研究者们完成了非线性有限元分析。计算出的结果与实验结果相符，从而为钢管混凝土抗震提供了一种适用方法。尽管最近几年已有多位研究者研究了钢管混凝土的抗震性，但弹塑性分析法仍然受到其合理性、适应性以及功效性的限制。这些方法中关于力学模型的样子，副作用以及计算效率都需要进一步改进，而且我们 还需要做更多的实验来检验这些分析方法的精确性。 方钢管混凝土虽然约束效果不如圆钢管混凝土显著，但是由于具有节点形式简单、截面惯性矩大、稳定性能好、便于采取防火措施等诸多优点，因此，近年来方钢管混凝土结构已经受到人们的广泛关注，实际工程应用不断增加。但是，到目前为止，有关方钢管混凝土结构体系方面的研究还很少，因此，本文对一幢 10 层方钢管混凝土框架结构进行了 弹塑性分析 。 1 弹塑性分析 根据对由 方 钢管 混凝土 柱 和钢粱组成的 10 层片刻抵抗的框架结构 的研究 。 方 钢管 混凝土结构的结构成员的计划、标高 , 和典型的横断面 条件如 图 1所示。 使用 钢管 混凝土结构 进行 弹塑性分析 。在 100 毫米深的大厦的地板当 作 壳元素 ， 方 钢管 混凝土 柱 和钢粱当 作 框架元素。 梁、柱 结构的尺寸 和材料 如 表 1所示 。 性能 地震时 在框架 结 构 中 塑 性 铰通常形成在 梁、柱的两端 。 对于梁单元 ,塑 性 铰大多是 由 单向弯矩 造成 , 但是 对于柱结构 , 塑 性 铰主要由轴向 荷 载和双 向 弯 矩 造成。所以 , 在弹塑性分析 中由梁和柱在 不同 受力情况下产生的不同 类型 的 塑 性 铰 应该分 别的 应用 弹塑性分析 。 在 , 使用 模仿 在 单向弯矩 作用下 造成 的 塑 性 铰 , 因此用户定义的 这个模型被应用在钢粱 上 。计算钢粱的片刻自转曲线 , 当满足 以下假定 才适用 : 1) 以 古典双线性硬化模型应用为代表的应力 2) 平面部分 无穷大 。钢粱 为 典型的 曲线如 图 2 所示 。 同样 , 是 由 用模 拟 塑 性 铰 在 轴向 荷 载和双 向 弯曲的 作用下 造成 的 。因此 ,用户定义的适用于 方 钢管 混凝土柱模型。使用 汉司公式 和 南加州大学提出 的 钢筋混凝土 模型 计算 方 钢管 混凝土的 线 和 作用表面 , 并做 比较。 方 钢管 混凝土的典型的 互作用表面和 线 如 图 3 所示。 向载荷模式 在设计地震 中 横向载荷模式旨在代表惯性力分布。显然 ,对于不同程度（即弹性变形的程度）和不同时候的地震应 配置不同的惯性力。 在 预计当地设计地震 中， 由于没有一个单一的模式能捕捉负荷变化的要求 ,因此， 在预计惯性力分布 时， 使用两个 方向 的 横向 荷 载 模式 进行 弹塑性分析 。 其一是倒三角型的横向载荷剪力法计算基准 ； 另一种是 使用 计荷载计算模式包括高级模式效果 。横向荷载 应用在 X 方向和Y 方向调查整体结构的抗震性能。 因为东等提 出 了 参考 应 严重影响 刚性框架 的稳定 性 。 因此 ,为了调查 应 对 方 钢管混凝土结构的抗震性能 ，推出了 弹塑性分析和没有占 应。 果 弹塑性分析的结果可以用来估计潜在的延性结构 , 评价其抗荷载能力 ,并找出故障机制。因而分析 弹塑性 结果 对 获得 方 钢管 混凝土结构的抗震性能 非常有帮助 。 载 变形关系 在 用弹塑性 分析估计结构 的 抗震性能 方面， 结构的 容量为代表的基础架构与剪切位移图是非常有用的 。用 弹塑性分析获得 的结构 容量曲线 如 图 4 所示 , 从中我们看到 顶部位移过 （ 造成) )止 ,当整个结构都形成塑性铰 就会导致 ) ) )终止。使用 )的侧向荷载模式比使用 )的侧向荷载模式下的底部抗剪强度要大的多。 因此 ,我们可以得出结论 ： 侧向 荷 载 作用下的 弹塑性 分析结果 很精确 。而且 , 容量曲线的趋向在 X 方向和在 Y 方向是相似的，如 图 4 所示 。 因此 , 在这种情况下 可以用一个方向 计算 整体 结构的抗震性能 . 参考 图 4 可知 ,尽管 线和 方 钢管混凝土柱 的 表面相互作用不同 ，但 在有弹性区域 它们的 容量曲线几乎 重合 。 使用汉司公式计算的 线 比那些 用 算的屈服强度值要大 , 但与其它参量比较区别 要 小。 图 4 显示，在弹塑性分析中， 由于 影响 最后基本剪 力迅速 地减少。 屈服强度值的减小也是由于同样的原因 。 故 我们能得出结论 ,由于 影响 严重而影响框架的 抗震性能 , 因此我们 应考虑到所有在未来 震分析 中可能发生的因素 。 后层间 偏 移 在弹塑性分析 中最后层间偏 移值如 图 5 所示 。在预 测 方 钢管 混凝土 结构的微弱 变形方面， 这 些 数据是有用的。从图 5,我们看到 一至三层的 层间 侧 移明显高于其 它层 。所以 , 从 这个例子 可以看出， 方钢管混凝土 结构的微弱的部分应该是第一 到三层 , 并且他们在工程学应用必 须 加强。 配塑性铰 在 方 钢管混凝土柱及横向载荷方向 的 响、 和 线的 各 弹塑性 分析 中， 尽管横向载荷的 模式不同 ，但我们都 可以发现 有 类似塑 性 铰分布 。 图 6 表示 在 不同 水平 的 弹塑性 分析案 中，混泥土 框架塑 性 的 产生和发展的程度 。塑 性 铰 首先在 柱 基 础的持力层产生，如 图 示 。随着侧向 荷 载的增加 , 塑性铰出现于该 地 基 各柱的 第一层底部和第二层和第三层 的部分柱。 而且 , 在二到六层的部分梁的两端也出现塑性铰 如 图 6b 所示。最后，在梁和柱的两端 塑 性 铰的数量 不断增加如 图 6c 。随着水平的 荷 载的增加塑 性绞的数量也跟着增加 。 最后 ，由于 整体结构顶 部 位移超出目标或 出现 塑 性绞而超出了弹塑性分析 条件 ,在此阶段（图 6d），柱的基础部分的塑性铰 得到了充分的发挥， 其余的 方 钢管混凝土柱和塑 性 铰钢梁在第二至第三层也有一定的发展 。由上 我们可以得出这样的结论 :一到三层 应该是弱段 方 钢管混凝土结构 ， 而 在 工程应用 中 他们必须要加强 。这样的结论与 结论相一致。 2 对比 为 了 比较 方钢管 混凝土 结构与 钢筋混凝土 结构 的 地震表现 ,我们研究了 四 种 10 层框架 结构的 方钢管 混凝土柱 与 钢筋混凝土 柱 。使用 这些结构 进行 弹塑性分析 。为比较 的 便利 ， 除了垂直的 柱之外 结构是几乎 完全 相同 ,它们都是用不同的材料和层面组成如 表 2 示 。 尺寸相当于钢筋混凝土柱强度计算基础上 ,与 方 钢管混凝土柱等价的 弹性模量 . 尺寸相当于钢筋混凝土柱强度计算基础上 ,使 方 钢管混凝土柱 相等，其中 E 为柱的 弹性模 量 、 A 是面积 。同样 , 根据 等计算等效 钢筋混凝土柱 , 并且边长等效 钢筋混凝土柱，其中 I 是转动惯量 , 并且 B 为 方钢管 混凝土的边长 。为对这些不同结构 进行 弹塑性分析 , 使用 由 算的 )横向荷载模式； 响 未被考虑。 从 混凝土钢管 和 钢筋混凝土 结构的 X 方向容量曲线 （ 图 7a）， 我们也许 会 发现 ：由于 方 钢管混凝土结构顶部的位移超过了 超出了弹塑性分析的使用范围被迫停止。此时的结构已转变成了塑性绞结构。但 钢筋混凝土结构顶位移达不到 此 目标 , 我们可以得出这样的结论 :方 钢管混凝土结构的延性和变 形能力比 钢筋混凝土结构的延性和变形能力优越 方钢管 混凝土的屈服强度和底部抗剪强度比钢筋混凝土结构高，故 方 钢管混凝土结构 的抗震能力 优于 钢筋 混凝土结构的抗震能力 。此结论也可由图 7b 看出。 方钢管混凝土 结构和 圆 钢管混凝土 结构的 弹塑性分析 结果比较 如 图 7 所示 。根据了 s A、 c A 与 方钢管混凝土 柱的 等计算 圆 钢管混凝土 柱的尺寸 , s A 是钢管部分 , 而 c A 是被填装的混凝土部分。虽然 方钢管混凝土 柱比 圆 钢管混凝土 柱的 轴向承 载 力 低 , 他们是优越在 抗弯能力 。在这个模型 中规定 轴向压缩比 要小于 因此 柱 的 抗弯能力 比轴向承 载 能力重要。结果 ， 在这个模型 中 方钢管混凝土 结构的 抗震 能力比 圆 钢管混凝土 结构优越。 3 结论 在本文里 ，比较了 由 方钢管混凝土 柱 , 圆 钢管混凝土 柱 , 和 钢筋混凝土柱组成的 10 层 框架结构 的 抗震性能 ，用 弹塑性分析比较 方钢管混凝土 , 圆 钢管混凝土 , 和 钢筋混凝土 结构在地震 下的 反应 得出 如下 结论： 1） 弹塑性分析结果表示 , 方钢管混凝土 结构的延展性和 抗震能力比 钢筋混凝土 结构优越。 故， 在地震地区 优先推荐选用 方钢管混凝土 结构。 2） 因为弹塑性分析结果对侧向 荷 载 模 式是敏感的 , 所以 在弹塑性分析 中推荐 至少使用 两个负荷模式 使惯性力 均匀分布 。 3） 方钢管混凝土 柱 的 线 和 面 相 互作用弹塑性分析结果 存在 轻微地影响。所以 , 对未来 的方钢管混凝土 结构的弹塑性分析 ， 曲线计算 、汉司公式计算 或 算都 是适 用的 。 4） 因为 素 严重影响 到 抗震能力 , 因此， 在未来研究 中 这个 影响 应该被考虑到在 震分析 中 。 聂建国、秦 凯、肖 岩；弹塑性分析方钢管混凝土框架结构的抗震性能；清华大学学报（英文版）； 2006年版；第一期， 0070/21 1, , 006 of of a 聂建国 ) *, 秦 凯 ), 肖 岩 ) 00084, 0089, To of a of a 10is to of at to is M - - of ans or by RF so be RF In C to a of C to C in by by , , et 3, as a of . of is to of a by in by of a 20042004 by of 50128807) To be 86to at is a is by an of of a to to of is in of a 1) of as by 2) of 3) of at ) of in in of at of 聂建国 ) et of 125 ( is to as . 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