靜力彈塑性法在側(cè)向荷載分布方式下的評估二

靜力彈塑性分析法在側(cè)向荷載分布方式下的評估研究AraganKORKMAZ1,AliSARI21訪問學(xué)者,土木工程學(xué)院,得克薩斯大學(xué),奧斯汀,TX78712,PH:512-232-9216;armagan@2博士,土木工程學(xué)院,得克薩斯大學(xué),奧斯汀,TX78712,PH:512-232-9216;ali_sari@摘要：這項(xiàng)研究的目的是通過彈塑性分析法和非線性時(shí)程分析法來評估框架結(jié)構(gòu)的性能或多種荷載形式及自然周期的多樣性。彈塑性分析法的荷載分布狀態(tài)有三角形、IBC（k=2），和矩形。在這個(gè)研究中四種典型的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)被采用，它們分別有四種不同的自然周期。非線性時(shí)程分析法是計(jì)算地震的最好方法，但美國的FEMA-273容量震譜法和ATC-40位移系數(shù)法推薦使用靜力彈塑性分析法。這篇論文將比較分別利用靜力彈塑性分析法與非線性時(shí)程分析法分析所得到的結(jié)果。為了評估彈塑性分析法在三種不同荷載形式和四種自然周期下的結(jié)果，非線性時(shí)程分析法也被執(zhí)行來對照。在不同地震下分布在全球的50個(gè)站點(diǎn)紀(jì)錄了地面運(yùn)動情況被用來做分析，通過比較靜力彈塑性分析法和非線性時(shí)程分析法的結(jié)果來選擇這種典型框架結(jié)構(gòu)在特殊自然周期下最佳的荷載分布方式。關(guān)鍵詞：靜力彈塑性分析、非線性時(shí)程分析、荷載形式、抗彎矩框架前言一般的抗震設(shè)計(jì)中僅僅只有安全和碰撞是在地震設(shè)計(jì)規(guī)范中明確要求避免的，抗震設(shè)計(jì)一般基于結(jié)構(gòu)在地震中的性能表現(xiàn)。這樣在低的地震水平下就要求考慮結(jié)構(gòu)的非彈性行為。FEMA-273和ATC-40采用靜力彈塑性分析法而不是非線性時(shí)程分析，因?yàn)榍罢咴诳拐鹩?jì)算中能得到更精確度結(jié)果。在抗震計(jì)算的目的是：（a）、在經(jīng)常發(fā)生的小震情況下避免非結(jié)構(gòu)破壞；（b）、在偶爾發(fā)生的中震情況下避免結(jié)構(gòu)破壞和最小限度的非結(jié)構(gòu)破壞；（c）、在罕遇大震下不倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要明確的在這三種情況下進(jìn)行。這項(xiàng)研究的目的是通過彈塑性分析法和非線性時(shí)程分析法來評估框架結(jié)構(gòu)的性能或多種荷載形式及自然周期的多樣性。3、5、8和15層的四種框架結(jié)構(gòu)被用來分析，分析中荷載分布狀態(tài)選擇三角形IBC（k=1），IBC（k=2）和矩形。其中k是與結(jié)構(gòu)周期相關(guān)的系數(shù)，用來定義荷載豎向因素。這四種結(jié)構(gòu)用非線性程序DRAIN-2D(Prakash,V.,Powell,G.,Capbell,S.,1993)來分析，并把其結(jié)果與記錄的相應(yīng)數(shù)據(jù)比較。靜力彈塑性分析法和非線性時(shí)程分析法都被執(zhí)行，這兩種非線性分析方法的聯(lián)系將被研究。在各種不同的地震運(yùn)動下建筑物的性能將被檢查，最后比較靜力彈塑性分析法和非線性時(shí)程分析法的結(jié)果來選擇這種典型框架結(jié)構(gòu)在特殊自然周期下最佳的荷載分布方式。地表運(yùn)動數(shù)據(jù)在這個(gè)研究中，50個(gè)不同的數(shù)據(jù)被用于非線性時(shí)程分析法中，在表1中給出。所有數(shù)據(jù)來自四個(gè)A、B、C、D四個(gè)等級不同地點(diǎn)，它們的橫波速度分別是>750m/s,360m/s至750m/s,180m/s至360m/s,180m/s。這些數(shù)據(jù)選至發(fā)生在世界不同地方的毀滅性地震，其中地震的名稱、數(shù)據(jù)源、記錄名稱、加速度峰值、有效期及過期類型都在表1中給出。地表加速度峰值大約在0.046g至0.395g，其中g(shù)為重力加速度。所有地表運(yùn)動數(shù)據(jù)取至距離地面最大為20km的近地范圍內(nèi)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的描述有著典型截面和鋼筋的3、5、8和15層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)見圖1，這些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是按Turkish規(guī)范設(shè)計(jì)?？紤]結(jié)構(gòu)所處環(huán)境為土質(zhì)類型Z1、地震1區(qū)，設(shè)計(jì)為等級為1級，其中恒載、活載以及地震荷載在設(shè)計(jì)中已經(jīng)被考慮。所有這些鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)都有3跨，長8m，層高3m。柱子假定與地基固結(jié)，鋼筋的屈服強(qiáng)度為22kN/cm2，混凝土的抗壓強(qiáng)度為1.6kN/cm2.3層框架結(jié)構(gòu)的第一周期經(jīng)計(jì)算為0.54s，結(jié)構(gòu)中所有的框架梁截面為矩形，寬25cm、高25cm，框架柱截面尺寸為30cmx30cm。5層框架結(jié)構(gòu)的第一周期經(jīng)計(jì)算為0.72s，框架梁截面為矩形，寬25cm、高50cm，框架柱截面尺寸前三層為40cmx40cm，后兩層為30cmx30cm。8層和15層的框架結(jié)構(gòu)的周期分別為0.90s和1.20s，兩者的框架梁截面為矩形，寬25cm、高55cm。8層結(jié)構(gòu)框架柱截面尺寸前五層為50cmx50cm，后三層為40cmx40cm，而15層結(jié)構(gòu)框架柱截面尺寸前八層為80cmx80cm，后七層為60cmx60cm。奮框架結(jié)構(gòu)順的靜力彈梅塑性分析納法緞對于低等餃級的性能蔥，為了估醋計(jì)其需求砌，就需要灶考慮結(jié)構(gòu)哥的非彈性藝行為。靜類力彈塑性任分析法可泡以用來識路別地震的捕危險(xiǎn)，并姥選擇性能現(xiàn)等級以此單來設(shè)計(jì)性伙能目標(biāo)。沙在靜力彈招塑性分析蘭法中，以趕側(cè)向荷載倚近似代表影由層間產(chǎn)押生的相關(guān)份慣性力并柳使結(jié)構(gòu)在皮這個(gè)側(cè)向救荷載作用來下產(chǎn)生的租位移大于凡地震設(shè)計(jì)世中預(yù)期的逆位移牽(駛Li,當(dāng)Y.R袍.,19楊96)訪。這種分暢析方法提動供了剪力管與位移的礦置換關(guān)系盞并指出非聯(lián)彈性的界背限和結(jié)構(gòu)魄側(cè)面負(fù)荷貞能力，而翻曲線斜率訊方面的改槐變表明了法各有限元崖的屈服強(qiáng)臺度。靜力殖彈塑性分序析法的主悄要目的是擠決定結(jié)構(gòu)江的荷載數(shù)涌量和變形站能力。這距些信息都橡能夠用于霧評價(jià)結(jié)構(gòu)象的整體性燈。降在詳細(xì)設(shè)燕計(jì)了鋼筋接混凝土框彎架結(jié)構(gòu)后錘，就用靜賀力彈塑性我分析法評起估結(jié)構(gòu)的課地震反應(yīng)喝，為此電退腦程序飄Drai鹽n2D鳥會被用到類。有以下鄉(xiāng)三種簡化測荷載形式境：三角腥形掠IB蝕C足（提k=政1舉）違，蹲IB善C記（走k=另2編）和矩形家，其浙中塑k蛾是與結(jié)構(gòu)痛周期相關(guān)皂的系數(shù)，本用來定義嫁荷載豎向匹因素。它也們也會用暢于欲3敵、柄5妨、覽8犬和社1霧5吹層的鋼筋店混凝土框涼架結(jié)構(gòu)的逗靜力彈塑抵性分析。乓荷載標(biāo)準(zhǔn)子的確定時(shí)廁基于設(shè)計(jì)追參數(shù)中的司慣性力的踏分布。簡爺化的荷載榴布置方式句如均布分昨布、三角陰形分布江、浴IB自C襖分布是最糕常見的荷熔載參數(shù)。些地震力的鋒豎向分布餡：謊扎坡型損恰祝燦尾躍（目1景）冒息披濕蜂情態(tài)睜熱（懲2景）式中：功怠C謙vx爬為豎向分內(nèi)布參數(shù)脆倘蛾V棍為總側(cè)向鴿力設(shè)計(jì)值恨，或結(jié)構(gòu)撇底部剪力牛艦w兼i訓(xùn)和置w曠x刪為部分結(jié)攤構(gòu)自重泡懇h效i算和憂h伏x學(xué)為結(jié)構(gòu)高騰度（至基博地算起）各k云為與結(jié)構(gòu)蹄周期相關(guān)攝的參數(shù)釣除這些側(cè)右向荷載外肯，結(jié)構(gòu)還碎承受恒載條和活載。孕P-騙△期作用在靜譯力彈塑性幻分析中同竭樣被考慮爺。側(cè)向荷啦載一直會孟增加，直香到恒3拼、斷5億和涉8參層的框架散結(jié)構(gòu)樓頂糞位移皆達(dá)竟到株50融c純m沃尤，狗15其層的框架停結(jié)構(gòu)樓頂謀位移蹤達(dá)逆到滔100哥c拍m雁叮。梁柱單舉元用于結(jié)起構(gòu)分析，戒假定梁在壽水平方向外是剛性的凝，考慮非恢彈性影響浙單元是鉸舟接的，而邪應(yīng)變強(qiáng)化稼被忽略。沖雙線性彎絲矩持—拘轉(zhuǎn)角關(guān)系晌假定用于吼所用梁柱胡單元，由較ACI3譽(yù)18-8敲9責(zé)建議的軸零壓荷龜載貞—谷彎矩關(guān)系培、僻P當(dāng)—瞇M核、交互關(guān)常系被用于汗柱單元屈揪服表面。零薄弱破碎饑區(qū)段的慣組性矩偶I許cr齊跪，在分析步的時(shí)候用哭于所有的煌梁柱。宰I削cr贏取總慣性挎矩裳I屑g圓的一半。羞由靜力彈陰塑性分析獸法所得的商結(jié)果見弱圖稠2-睜5黑。每個(gè)框沿架結(jié)構(gòu)的倚彈塑性曲名線都分均販布荷載、乳三角形荷倍載以健及怎IB叫C躍荷載三種稠荷載方式物給出，顯往示了剪重堅(jiān)比與之相茫對應(yīng)的層粥間位移。準(zhǔn)基底剪渴力手V穗由地面以彩上所有荷營載相加得杯到，結(jié)構(gòu)建重扇力待W授所有樓層異重量之和短。除此之縱外，這些墓曲線還表回示結(jié)構(gòu)抗悄側(cè)力的損板失情況和肌柱位移下份的剪切破我壞。曲線混中曲率的泳變化表明彈了不同結(jié)矛構(gòu)單元屈輸服情況，駁首先是梁蒜屈服，接柏著是柱屈狡服和各單餡元的剪切其破壞。隨京著結(jié)構(gòu)自陡重的增加倉，頂層位澆移增大，中出現(xiàn)首次帖屈服和剪至切破壞（莫見蔥圖駕2-司5晴）。在相欣應(yīng)的結(jié)構(gòu)率位移（水詠平位移）夜下，矩形班荷載分布賣比其它荷罪載分布形永式相比會載造成更高隙的剪重比郊。授見框架結(jié)構(gòu)粥的非線性花時(shí)程分析纏前面對框堪架結(jié)構(gòu)進(jìn)秀行了靜力鋒彈塑性分滾析，下面香用非線性妻時(shí)程分析點(diǎn)法對其進(jìn)汗行分析。隙這些框架施結(jié)構(gòu)都承肉受恒載和斃活載，同告靜力彈塑匯性分析法漠一樣，價(jià)P-朱△悶作用在非顆線性時(shí)程弟分析中也做被考慮。足在非線性尿時(shí)程分析寺中玉Drai都n2D拔程序被利報(bào)用，剛有限元程役序也被用憂來模擬結(jié)蹤構(gòu)。在靜疑力彈塑性累分析中所沿描述的模議型同樣用換于非線性償時(shí)程分析樸法中，且早假定質(zhì)量筍集中在節(jié)施點(diǎn)處。顛結(jié)構(gòu)承受慨的搞辛艇種地震情胸況都是在滋以下地震塊中被記錄俱的，這些妖地震是美弱國南加籃州笑Anza腫地震、美情國加州啞Park別fiel殊d四地震、美劫國西部膠Morg只anHi枝ll護(hù)地震、土日耳其扇Koca味eli叉地震、日耀本釀Coyo猾taLa終ke隔地震、美值國桐N.Pa鳴lmSp雅ring嬸s拖地震、美腔國加州艦Nort禽hrid握ge巨地震、美贈國加州吊Sant聞aBa顫rbar紗a侵地震、美掌國該Impe穿rial蕩Val逮ley架地震、美婦國加州益Cape仆Men塵doci故no威地震、日分本神戶飼Kobe析地震、美烘國擴(kuò)Cent夾ral命Cali尺forn鏡ia從地震、美義國加州臟Lytl理eCr脹eek離地震、美洽國南加州霧Whit軋tier鋒Narr智ows咽斤地震、美驢國價(jià)Holl申iste薯rWes逮tmor膝elan衫d趁地震、美鏈國枝Live胡rmor阻地震、美運(yùn)國加州憐Cape珠Men屬doci護(hù)no若地震。這黑些數(shù)據(jù)取雄自祖A討、惡B徒、弦C狠、音D倒四類地區(qū)怪，來用于疏非線性時(shí)界程分析。型被選中的比地震有著膜不同的頻特率和地表磁加速度峰樓值，數(shù)據(jù)隆來自近地淡范圍因而柿可以用來遵評估結(jié)構(gòu)迫的反應(yīng)并魔與靜力彈籃塑性分析候法所得到適的結(jié)果比民較竿。釣3寄、謝5欲、問8裁和層1瘡5頸層框架結(jié)輸構(gòu)的非線士性時(shí)程分陣析的結(jié)果秤見抹圖盆-脖6竟。由此可盲以比較兩論種分析方萌法在不同檢周期、不宿同荷載情加況，即矩?cái)傂?、三角效形懷和敘IBC(歇k=2較)司下四種框賊架結(jié)構(gòu)的夾結(jié)果。結(jié)論象在詳細(xì)設(shè)嬸計(jì)了鋼筋董混凝土框聾架結(jié)構(gòu)后恭，靜力彈婦塑性分析脹法和非線呼性時(shí)程分亡析法被執(zhí)蔽行來評價(jià)寫在不同荷麻載情況下逝的地震反卡應(yīng)。靜力非彈塑性分盜析法假定達(dá)抗震所設(shè)期的目標(biāo)位芹移量與實(shí)恰際地震下握的最大位令移大致一解樣。瀉從濁圖盾-混2港至虜圖求-喉5蜻可以看出爹，對于高辭層的框架昆結(jié)構(gòu)位移杯增大，出谷現(xiàn)首次屈蠻服和剪切雕破壞。在慚相應(yīng)的結(jié)湖構(gòu)位移（混水平位移粗）下，矩委形荷載分纏布比其它富荷載分布小形式相比助會造成更薦高的剪重年比輪。臣罵如惕圖臂-呈6監(jiān)所示，在禍所選的地糾表運(yùn)動數(shù)丟據(jù)下，非研線性時(shí)程勺分析法在訪三角形荷座載、矩形茅荷載受和聾IBC(叫k=2泊)王荷載情況促的結(jié)果相雞互比較知追：靜力彈修塑性曲線倚在高層框蛛架結(jié)構(gòu)邊（披8銷和在1新5廁層框架結(jié)縣構(gòu)）下與豪非線性時(shí)繞程分析得命出的結(jié)構(gòu)身不是很相電符。靜力岸彈塑性分鐮析法在矩纖形分布下會所得的抗勉震要求要豬比其它荷痰載方式如攔三角形荷平載字、畜IBC(圖k=2有)悅荷載形式范下更合理到。參考文獻(xiàn)舍1.AT子C-40碎(19智96),睡獵“勻Seis己mic粘eval錘uati李ona望ndR蠟etro乏fit罩ofC斧oncr言ete橋Buil闖ding調(diào)s戲”花,Vo夜l.1,躍App島lied東Tec表hnol繞ogy三Coun替cil,繁Red它wood界Cit顛y,C考A.血2.FE谷MA兼-碎273粥(199往7)竄,耐“紅NEHR核PGui脈deli擦nesf藝orth寫eSei睡smic率Reha欠bili龍tati晃onof乖Buil犁ding涌s,f怪eder叨alE暮merg僚ency正Man張agem酸ent繪Agen飛c禽y爽”拐,Wa誕shin暮gton王D.C枝.宗3.I保BC(用2000走)青德“包Inte等rnat筋iona裹lBu奧ildi岸ngC尤od尺e掉”影.語4.愁Prak擾ash,宏V.,寨Powe酸ll,G據(jù).,C介ampb竊ell,掠S.隆(199秒3),D同RAIN封2D月User叮Gui據(jù)deV咸1.1胡0,U明nive細(xì)rsit玩yof犁Cal初ifor紐nia僅atB冶erke弟ley,努CA.顆5.石 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