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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 (二)
                作者:刘春明摘译    发布于:2018-01-26 17:15:17    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 (一) 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

                2.1 需求参数

                现代抗震性能设计需要对所设计建筑设置性能水平和检查容许准则。给定强度地震动作用下,需要使用适当的需求参数和容许准则来校核性能水平。应该对整体结构、下部结构、建筑构件指定性能容许准则。

                对给定建筑和需求参数,针对设计目的,结构建模和分析必须保证需求参数的计算具有足够的精度。对给定性能水平,通过比较计算需求参数(简称需求)和容许准则(能力)进行性能校核。计算的需求和容许准则一般通过“需求能力”比进行比较。取决于使用静力或动力非线性分析以及如何处理需求和容许准则的不确定性,抗震性能容许准则可能不同。例如,对构件模型,一般的静力分析中不考虑循环退化效应,非线性静力过程中需求参数和容许准则要包含。另一方面,一些动力分析模型可以直接加入循环加载退化效应,这时可以使用不同的模型和容许准则。

                 


                结构构件容许准则通常分为“变形控制”(可以有非弹性变形的延性部分)和“力控制”(非延性部分能力由力来控制)。现实中大部分构件包含一定的非线性变形,构件的力和变形控制并不是绝对的。但这种区分方法可以提供一种可行的近似方法建立分析和设计需求。变形控制构件必须模拟为非线性的,假如构件受力没有导致明显屈服,力控制构件可以模拟为弹性的。ASCE41为立即入住(IO)、生命安全(LS)、防止倒塌(CP)定义了变形和力容许准则,PEER/ATC 72-1对结构发生破坏和显著的强度/刚度退化提供指导准则。



                位移、速度、加速度作为附加的需求参数,可以提供建筑反应和非结构构件总体上更深入的了解。楼层分层变形(通常用楼层侧移比表示)提供结构整体反应重要指标,也包括竖向位移分布和结构整体扭转,以及变形敏感构件如建筑外装饰面、内部分隔、柔性管道。楼板峰值加速度和速度通常用于设计和评估较刚的建筑构件,如刚性锚固设备、上抬楼板系统,支撑式天花板,刚性管道系统。


                2.2 结构分析模型类型

                非线性结构构件模型可以按塑性沿构件截面和长度的分布来区分。图2-1所示五种模拟梁柱非线性反应的理想化模型。几种类型结构构件(例如梁、柱、支撑、和抗弯墙)可以使用图2-1中所示概念进行模拟。

                                    

                                                                 图 2-1 理想化梁柱单元模型

                • 最简单的是模拟非线性变形发生在单元端部,如塑性铰或包含滞回的非线性弹簧。包含弯矩-转角模型参数的铰塑性集中在零长度,单元具有相对凝聚的数值高效公式。

                 

                • 在构件端部指定有限长度塑性铰区的铰模型是有效的分布塑性公式。非线性铰区内截面通过如下两种方式表示:非线性弯矩-曲率关系,或者按平截面假定对纤维截面进行积分。非线性铰区长度可以是定长或可变长度,通过弯矩-曲率截面特征及轴力对弯矩坡度影响确定。沿铰长度对变形积分体现屈服发展,比集中铰模型更符合实际,有限铰长度便于铰转角计算。

                 

                • 纤维公式沿构件截面和长度积分模拟分布塑性。定义单轴材料捕捉截面轴向应力-应变非线性滞回特性。使用平截面假定,对单轴材料纤维沿截面积分得到应力结果(轴力和弯矩)以及弯矩-曲率和轴力-应变关系。然后截面参数沿长度在离散点积分,使用位移或力插值函数(Kunnath 等 1991, Spacone等1996)。分布纤维公式通常不输出塑性铰转角,但沿截面纤维输出钢筋和混凝土应变。计算的应变需求可能对弯矩梯度,单元长度,积分方法,计算应变需求使用的应变强化等非常敏感。因此,应变需求容许准则应以集中铰模型为基准,其转角容许准则使用更普遍。

                 

                • 最复杂的模型沿构件长度和横截面离散连续体为(微)有限元(实体单元),非线性滞回本构属性有比较多的输入参数。这种根本的建模方式提供最多功能,但从模型参数的调校和计算资源上也提出了最大的挑战。类似纤维公式,对于通常输出的铰转角和变形的容许准则,有限元计算的应变和变形不易量化。


                集中和有限长度铰模型可以通过屈服面考虑轴向力-弯矩(P-M)耦合。另一方面,纤维和有限元模型直接体现P-M反应。注意详细的纤维和有限元模型可以从根本上模拟一些特性,但不一定能模拟其他效应,如可以由简单现象学模型(如基于实验)捕捉的钢筋屈曲和断裂造成的退化(注3)。

                 

                 

                注3

                分布和集中塑性单元

                分布塑性模型通过沿截面和长度模拟应力和应变的变化更详细,重要的局部行为,例如由于钢筋或翼缘局部屈曲的强度退化、非线性弯剪耦合,如果没有复杂和精细模型,很难去捕捉。

                 

                另一方面,基于现象学的集中铰/弹簧模型通过构件实验数据构建弯矩-转角和滞回,可以更好的捕捉构件的退化。因此选择分析模型类型时,重要的是要了解

                (1)预期的行为

                (2)假定

                (3)所用模型的近似。

                虽然复杂公式可以提供更好的能力模拟某些方面的行为,简化模型可以使用同样或较低精度有效捕捉这些行为。最好通过特定模型和软件分析小例子试验,考察特定的行为效果,获得更深入的理解和信息。

                                

                                                      图2-2 理想化轴力-弯矩需求和强度相关面

                              

                           

                                                        图2-3 滞回模型类型

                一些集中铰模型使用轴力-弯矩(P-M)屈服面。这些模型通常较好体现轴压和抗弯屈服发展过程,但比较难捕捉屈服后和退化反应。另一方面,一些具有详细弯矩-转角滞回的模型可能捕捉不到P-M相关面,除非弯矩-转角反应基于铰中存在的轴压和抗剪平均值定义。一个简单检查模型能力的方法,分析一个混凝土柱在较低和较高轴压下(高于和低于抗压破坏平衡点)模型追踪轴压在转角能力和峰值后退化的区别。进一步可以检查在分析中轴压变化,及查看轴压影响是否被捕捉。


                 

                为形成抗弯机构,构件抗剪强度必须大于抗弯强度,一般在抗震设计中承载力设计规范规定这样设计。当抗剪强度不足导致抗剪屈服和破坏(例如在一些现有建筑中),除抗弯和轴压外,剪切效果必须在分析模型中考虑。一个直接的方法是在轴向-弯曲外增加非线性剪切弹簧。



                 

                脚注信息

                备案号:粤ICT13053676

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