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NEHRP 抗震設計技術指導之抗震設計非線性結構分析 (二)
作者:劉春明摘譯    發布于:2018-01-26 17:15:17    文字:【】【】【
摘要:NEHRP 抗震設計技術指導之抗震設計非線性結構分析 (一) 作者:Gregory G. Deierlein, Andrei M. Reinhorn, 和 Michael R. Willford.

美國NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) 技術指導報告由NIST(National Institute of Standards and Technology) 出版。對抗震設計中問題給出了總結性的綱要。這里介紹其中的一篇抗震設計非線性結構分析(Nonlinear Structural Analysis for Seismic Design)。便于工程師了解國際上非線性分析在抗震設計中的應用情況。報告較長,將分成幾部分。為了更好的理解,建議大家閱讀原文。


內容

 

1. 介紹

2. 非線性需求參數和模型屬性

3. 結構組件建模

4. 基礎和土相互作用

5. 非線性靜力分析要求

6. 非線性動力分析要求

7. 參考文獻

 

2 非線性需求參數和模型屬性

2.1 需求參數

現代抗震性能設計需要對所設計建筑設置性能水平和檢查容許準則。給定強度地震動作用下,需要使用適當的需求參數和容許準則來校核性能水平。應該對整體結構、下部結構、建筑構件指定性能容許準則。

對給定建筑和需求參數,針對設計目的,結構建模和分析必須保證需求參數的計算具有足夠的精度。對給定性能水平,通過比較計算需求參數(簡稱需求)和容許準則(能力)進行性能校核。計算的需求和容許準則一般通過“需求能力”比進行比較。取決于使用靜力或動力非線性分析以及如何處理需求和容許準則的不確定性,抗震性能容許準則可能不同。例如,對構件模型,一般的靜力分析中不考慮循環退化效應,非線性靜力過程中需求參數和容許準則要包含。另一方面,一些動力分析模型可以直接加入循環加載退化效應,這時可以使用不同的模型和容許準則。

 


結構構件容許準則通常分為“變形控制”(可以有非彈性變形的延性部分)和“力控制”(非延性部分能力由力來控制)。現實中大部分構件包含一定的非線性變形,構件的力和變形控制并不是絕對的。但這種區分方法可以提供一種可行的近似方法建立分析和設計需求。變形控制構件必須模擬為非線性的,假如構件受力沒有導致明顯屈服,力控制構件可以模擬為彈性的。ASCE41為立即入住(IO)、生命安全(LS)、防止倒塌(CP)定義了變形和力容許準則,PEER/ATC 72-1對結構發生破壞和顯著的強度/剛度退化提供指導準則。



位移、速度、加速度作為附加的需求參數,可以提供建筑反應和非結構構件總體上更深入的了解。樓層分層變形(通常用樓層側移比表示)提供結構整體反應重要指標,也包括豎向位移分布和結構整體扭轉,以及變形敏感構件如建筑外裝飾面、內部分隔、柔性管道。樓板峰值加速度和速度通常用于設計和評估較剛的建筑構件,如剛性錨固設備、上抬樓板系統,支撐式天花板,剛性管道系統。


2.2 結構分析模型類型

非線性結構構件模型可以按塑性沿構件截面和長度的分布來區分。圖2-1所示五種模擬梁柱非線性反應的理想化模型。幾種類型結構構件(例如梁、柱、支撐、和抗彎墻)可以使用圖2-1中所示概念進行模擬。

                    

                                                 圖 2-1 理想化梁柱單元模型

  • 最簡單的是模擬非線性變形發生在單元端部,如塑性鉸或包含滯回的非線性彈簧。包含彎矩-轉角模型參數的鉸塑性集中在零長度,單元具有相對凝聚的數值高效公式。

 

  • 在構件端部指定有限長度塑性鉸區的鉸模型是有效的分布塑性公式。非線性鉸區內截面通過如下兩種方式表示:非線性彎矩-曲率關系,或者按平截面假定對纖維截面進行積分。非線性鉸區長度可以是定長或可變長度,通過彎矩-曲率截面特征及軸力對彎矩坡度影響確定。沿鉸長度對變形積分體現屈服發展,比集中鉸模型更符合實際,有限鉸長度便于鉸轉角計算。

 

  • 纖維公式沿構件截面和長度積分模擬分布塑性。定義單軸材料捕捉截面軸向應力-應變非線性滯回特性。使用平截面假定,對單軸材料纖維沿截面積分得到應力結果(軸力和彎矩)以及彎矩-曲率和軸力-應變關系。然后截面參數沿長度在離散點積分,使用位移或力插值函數(Kunnath 等 1991, Spacone等1996)。分布纖維公式通常不輸出塑性鉸轉角,但沿截面纖維輸出鋼筋和混凝土應變。計算的應變需求可能對彎矩梯度,單元長度,積分方法,計算應變需求使用的應變強化等非常敏感。因此,應變需求容許準則應以集中鉸模型為基準,其轉角容許準則使用更普遍。

 

  • 最復雜的模型沿構件長度和橫截面離散連續體為(微)有限元(實體單元),非線性滯回本構屬性有比較多的輸入參數。這種根本的建模方式提供最多功能,但從模型參數的調校和計算資源上也提出了最大的挑戰。類似纖維公式,對于通常輸出的鉸轉角和變形的容許準則,有限元計算的應變和變形不易量化。


集中和有限長度鉸模型可以通過屈服面考慮軸向力-彎矩(P-M)耦合。另一方面,纖維和有限元模型直接體現P-M反應。注意詳細的纖維和有限元模型可以從根本上模擬一些特性,但不一定能模擬其他效應,如可以由簡單現象學模型(如基于實驗)捕捉的鋼筋屈曲和斷裂造成的退化(注3)。

 

 

注3

分布和集中塑性單元

分布塑性模型通過沿截面和長度模擬應力和應變的變化更詳細,重要的局部行為,例如由于鋼筋或翼緣局部屈曲的強度退化、非線性彎剪耦合,如果沒有復雜和精細模型,很難去捕捉。

 

另一方面,基于現象學的集中鉸/彈簧模型通過構件實驗數據構建彎矩-轉角和滯回,可以更好的捕捉構件的退化。因此選擇分析模型類型時,重要的是要了解

(1)預期的行為

(2)假定

(3)所用模型的近似。

雖然復雜公式可以提供更好的能力模擬某些方面的行為,簡化模型可以使用同樣或較低精度有效捕捉這些行為。最好通過特定模型和軟件分析小例子試驗,考察特定的行為效果,獲得更深入的理解和信息。

                

                                      圖2-2 理想化軸力-彎矩需求和強度相關面

              

           

                                        圖2-3 滯回模型類型

一些集中鉸模型使用軸力-彎矩(P-M)屈服面。這些模型通常較好體現軸壓和抗彎屈服發展過程,但比較難捕捉屈服后和退化反應。另一方面,一些具有詳細彎矩-轉角滯回的模型可能捕捉不到P-M相關面,除非彎矩-轉角反應基于鉸中存在的軸壓和抗剪平均值定義。一個簡單檢查模型能力的方法,分析一個混凝土柱在較低和較高軸壓下(高于和低于抗壓破壞平衡點)模型追蹤軸壓在轉角能力和峰值后退化的區別。進一步可以檢查在分析中軸壓變化,及查看軸壓影響是否被捕捉。


 

為形成抗彎機構,構件抗剪強度必須大于抗彎強度,一般在抗震設計中承載力設計規范規定這樣設計。當抗剪強度不足導致抗剪屈服和破壞(例如在一些現有建筑中),除抗彎和軸壓外,剪切效果必須在分析模型中考慮。一個直接的方法是在軸向-彎曲外增加非線性剪切彈簧。



 

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