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                NEHRP 抗震设计技术指导之抗震设计非线性结构分析 (三)
                作者:刘春明摘译    发布于:2018-01-26 16:18:22    文字:【】【】【
                摘要:NEHRP 抗震设计技术指导之抗震设计非线性结构分析 作者:Gregory G. Deierlein, Andrei M. Reinhorn, 和 Michael R. Willford.

                           美国NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) 技术指导报告由NIST(National Institute of Standards and Technology) 出版。对抗震设计中问题给出了总结性的纲要。这里介绍其中的一篇抗震设计非线性结构分析(Nonlinear Structural Analysis for Seismic Design)。便于工程师了解国际上非线性分析在抗震设计中的应用情况。报告较长,将分成几部分。为了更好的理解,建议大家阅读原文。

                内容

                1. 介绍

                2. 非线性需求参数和模型属性

                3. 结构组件建模

                4. 基础和土相互作用

                5. 非线性静力分析要求

                6. 非线性动力分析要求

                7. 参考文献

                 

                2
                非线性需求参数和模型属性

                 

                   2.3 需求参数

                      分析中要模拟单元的滞回,应基于力学原理或者试验数据确定截面的初始刚度、强度、屈服后力-位移反应,并考虑循环加载和轴向-剪切-弯曲相关性的影响。非弹性循环变形较大时,由于开裂、压碎、局部失稳、粘结滑移或其他原因,构件强度经常退化(2-3)。使用合适的刚度和内力修正考虑退化,模型可以模拟大多数常见具有滞回特性的材料和设备(Ibarra等,2005, FEMA 2009a)。ASCE41 提供钢筋混凝土、砌体、木构件、隔震单元、抗弯框架能量耗散单元、支撑框架、剪力墙、填充墙、基础这些构件的评估准则确定刚度、强度、变形限值。

                    2-7ASCE41定义的理想化力-变形关系,用于指定非线性构件模型力和变形参数。在ASCE41中,力-变形关系用于表示循环包络,体现循环加载下强度退化(说明4)。与单调加载下反应曲线不同。循环包络和单调骨架线都包含强度及相关变形的四个关键点。见图2-7,这些点包含:有效屈服(B),峰值强度(C),残余强度(点D),最终变形(点E)。ASCE41定义了点B、C、E的值,但点CD点间下降斜率没有很好定义。因为大多数情况下下降坡度比图2-7中更缓,更合理的方式是在点DE之间定义下降段(或者到D、E间一点),如图中虚线所示。

                                   

                                     

                       图 2-7 广义力-位移曲线(PEER/ATC 2010

                   

                    因为在商业分析软件中模型通常没有捕捉骨架曲线循环退化,通常比较合适的方法是,定义模型参数来拟合试验确定或使用ASCE41、PEER/ATC72-1及其他来源的构件循环包络曲线。否则,分析者应明确所用软件包含适当的滞回规则,可以表示骨架线循环退化。除了单调加载和循环反应的区别,滞回模型有另一个重要属性,是否捕捉所谓的“循环”与“循环内”退化(说明5)。对现有文献中没有的材料和单元,刚度退化、强度和滑移特征可以使用基于实验的力学准则表示;FEMA440A在这方面有更多的建议。


                      2.4 几何非线性

                    几何非线性形成于重力荷载施加于结构变形后的形态,导致单元和连接内力增加。这些几何非线性区别于构件上变形相关并沿构件弦长量测的 p-δ 效应。p-△效应在构件端部量测,一般与结构楼层位移角相关。建筑物在地震作用下,构件符合高烈度区特殊系统长细比限值时(即ASCE7中定义的特殊混凝土和钢框架),p-△效应比p-δ效应更需要关注。p-δ效应一般不需要在非线性抗震分析中考虑。但p-△效应必须考虑,因为最终可导致侧向抗力损失、棘齿(循环加载下残余变形逐渐积累)、动力不稳定。大的横向变形()放大内力和抗弯需求,减小有效侧向刚度。随内力增加,结构保持小部分抗力抵抗侧向力,导致有效侧向强度减小。

                   2-8所示,一个理想化基底剪力与悬臂结构层间位移角曲线,包含及不包含p-△效应。如果重力较大,刚度折减(显示为负刚度KN)显著,对横向抗力和不稳定有贡献。因此,无论静力或动力,分析中重力荷载-变形(p-△)效果必须直接考虑。这意味着整个建筑分析中必须有重力荷载,在结构模型中引入恰当的p-△分析技术(Wilson 2002;Powell 2010)。对非线性地震分析,ASCE 7指定重力荷载组合1.0D+0.5L,D是建筑恒载,L是指定的活荷载,包含活荷载折减。

                                    

                                2-8  力-变形曲线,包含及不包含 P-D 效应(PEER/ATC 2010)

                注4

                单调加载与循环包络线

                ASCE41和其他文献对结构构件典型的力与位移关系提供了标准骨架线(图2-7),用于定义构件行为、需求参数、容许准则。在非线性分析中使用时,重要的是区分“单调”和“循环包络”曲线。单调曲线表示构件在单调加载试验中得到的结构反应,循环包络是循环加载下的外包线。如下所示(图2-4和2-5),循环包络因施加的循环加载历史不同而不同,骨架曲线典型的从标准加载协定得出。对非线性静力分析,地震作用下循环效应不是直接在分析中模拟,非线性构件模型应基于包含退化的循环加载包络定义。对非线性动力分析,构件曲线选择取决于如何模拟循环退化。直接循环退化模型从单调加载骨架曲线开始,随结构分析退化发展(Ibarra等,2005)。非直接模拟方法不是退化构件骨架线,而是在分析中使用循环包络(隐含循环退化)定义构件骨架曲线。无论使用何种技术(直接或间接),循环加载中应该使用非线性分析,保证模型可以表现出在试验中观察到并在ASCE41或其他文献中包含的退化行为。

                                  

                                                           图2-4 木剪力墙的荷载与位移数据

                                   

                                            图2-5 基于单调和循环包络曲线的理想化模型骨架曲线(PEER/ATC 2010)

                注5

                循环与内循环退化

                用于非线性动力分析的滞回模型应该区分并考虑强度和刚度退化的“循环”和“循环内”。

                循环退化是往复循环加载作用下给定变形水平明显的强度损失,由于混凝土开裂,粘结滑移,包辛格效应(金属中)等。在一个方向连续加载,循环加载下强度损失在大变形下会恢复。另一方面,循环内退化是在一个加载循环或单调加载中变形增加时强度损失。

                循环内退化屈服后出现负刚度。钢筋混凝土和砌体构件循环内退化通常由于混凝土压坏、剪坏、屈曲或破碎、粘结破坏。在钢构件中,循环内退化由于局部或侧向的扭转失稳或撕裂、或者钢材断裂等原因发生。实践中,大多数构件包含两种退化类型。研究表明循环内退化会造成更大破坏,动力加载中造成所谓的棘齿状行为,并最终导致倒塌。参见FEMA440。

                                 

                                                           2-6 循环和内循环退化(FEMA2005)

                注6

                抗震评估不确定性

                地震引起的需求总体变化很大并且很难评估??悸撬械牟蝗范ɡ丛?,需求参数的系数变化差不多是0.50.8,并且随地震动强度增长而增加。通常结构变形和加速度变化较大,进行能力设计结构中由力控制的构件变化较小,力的限值由屈服构件强度控制??杀湫酝ǔ6匀鲋饕丛雌鹱饔茫?/span>

                1)地震动强度危险不确定性,如对给定地震场景和重现周期下的谱加速度强度

                2)来自给定烈度地震动持时和频率引起的地震动不确定性

                3)(i)结构物理属性如材料、几何、结构构造等

                     (ii)结构构件和系统非线性行为

                     (iii)实际反应的数学模型表示,来源于上述三种变化的结构行为和模型不确定性。

                非线性动力分析通过合理力学模型降低需求预测的不确定性;非线性或线性静力分析,不确定性基本是由于分析假设中的简化。然而,即使对非线性动力分析,实践中也很难准确计算需求参数变化。概念上可以使用蒙特卡洛模拟方法在计算需求时对反应量变化进行量化。然而,完全模拟不确定性特征对实际结构是一个艰巨任务。除了缺乏必须的数据完全特征化模型参数的可变性(多参数之间的标准变化容差和相关系数),对于实际结构的可行评估,确定结果变化所需要的分析数量是难以实现的。因此,非线性分析过程通常要计算需求中值(均值)。评估不确定性然后计入:

                1)选择运行分析的危险水平(重现周期

                2)比较需求时的容许准则。对力控制或者其他能力设计构件,通常使用独立的系数或步骤,检查容许准则。

                 

                2.5 模型参数不确定性特征

                 

                由于输入地震动和相应非线性结构反应的不确定性,导致计算的需求参数变化(注6)。分析中通常的方法是获得最可能的(预期)结构反应,分析模型中结构属性应该采用中值。材料参数和构件模型统计变化通常是对数正态分布,即中值和均值(期望值)不同。然而,因为对大多数材料和模型参数,差别比较小,加上实践中没有足够的数据精确统计,使用中值或均值建立分析模型参数是合理的。包括使用材料属性和构件试验数据(例如弯曲铰非线性滞回数据)的中值标定分析模型。ASCE41和其他标准提供原则关联最小指定材料属性期望值,AISC341(AISC2010)指定Ry值关联到最小指定材料强度预期值。对给定地震烈度,使用中值或均值,计算的需求值参数是中间数预计值(50百分位--一组n个观测值按数值大小排列。如,处于p%位置的值称第p百分位数)。

                 

                2.6 质量保证

                 

                非线性分析软件很复杂,需要训练和经验获得合理结果。虽然分析程序手册通常是软件功能和使用的最好参考资料,但手册有可能不提供各种输出及输入参数选项的完全描述,以及功能上理论或实际应用的限制。因此,可以从简单的悬臂模型单元试验开始,到包含分析模型中相关的功能,扩大范围和复杂性,工程师应该通过运行分析研究,积累软件使用功能的经验。应检查模型强度和刚度在侧向荷载下正确性。然后,运行拟静力测试并确认滞回特性,输入参数变化测试敏感性,评估循环和循环内退化(5)。使用发表的实验数据进一步验证,帮助理解和明确非线性分析软件以及建模疑问(单元网格加密效果和截面离散)。

                 

                除了对软件功能及建模技术更熟悉,还有必要检查特定项目模型的准确性。检查从分析中的基本条目开始。然而,对非线性分析,需要做更多检查保证计算的反应是合理的。注7给出了一些建议。

                 

                注7

                建筑分析模型质量保证

                除了熟悉指定软件的功能外,建议检查下面这些点,保证计算地震需求参数时非线性分析模型的准确性:

                • 检查模型弹性模态。保证第一平动和转动模态和预估(手算,初始模型)的一致,后续模态合理。检查可能由于单元属性不正确,不合理约束或不正确质量定义造成的杂乱局部振型。

                • 检查模型整体质量、开始几个振型在每个方向有效质量是合理的,并考虑大部分总体质量。

                • 形成输入地震动弹性(位移)反应谱。检查一致性并区别记录间变化。确定记录的平均反应谱和均值变化。

                • 对模型进行弹性反应谱(使用记录集合的平均谱)和动力时程分析,计算关键位置的位移和基底剪力及倾覆弯矩。将反应谱结果与动力分析平均值比较。

                • 对地震动平均谱在目标位移下进行非线性静力分析。计算关键点位移、基底剪力、倾覆弯矩,并与弹性分析结果比较。改变选择的输入或控制参数(例如没有P-Delta效应,不同加载模式,构件强度变化,变形能力),确定反应中变化趋势。

                • 进行非线性动力分析,计算位移中值、基底剪力、倾覆弯矩,与弹性和非线性静力分析结果比较。变化选择的输入或控制参数(与非线性静力分析变化类似),相互比较,并与静力推覆或弹性分析结果比较?;嬷蒲≡竦姆至恐突胤从?,确认比较合理,查看需求参数样式,包含变形分布和个别处检查平衡。


                 

                                      

                脚注信息

                备案号:粤ICT13053676

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