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(dòng)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(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)鐵在這個(gè)研究中南，襖5巾0銜個(gè)不同的數(shù)據(jù)測被用于非線性醒時(shí)程分析法中作，在愛表牛1獎(jiǎng)中給出。所有責(zé)數(shù)據(jù)來自四洽個(gè)嫁A初、足B括、貸C祝、啄D兇四個(gè)等級不同桌地點(diǎn)，它們的哨橫波速度分別竟是那>孫如750羨m/誰s,咐釋360亡m艙/s捉至妙750故m瘋/s,傍陸180閃m孫/s澆至帆360交m扛/s,單雨瘡襪180盯m努/s纖。這些數(shù)據(jù)選禍至發(fā)生在世界突不同地方的毀稀滅性地震，其摔中地震的名稱纏、數(shù)據(jù)源、記刊錄名稱、加速然度峰值、有效扎期及過期類型高都在兆表輝1惹中給出。猶地表加速度峰僑值大約在銹0.046盈g看至賤0.395娃g挨，其念中進(jìn)g蟲為重力加速度押。所有地表運(yùn)慌動(dòng)數(shù)據(jù)取至距哲離地面最大撤為采20k獸m酷的近地范圍內(nèi)還。放框架結(jié)構(gòu)的描伍述縣有著典型截面鉛和鋼筋媽的戒3訴、刪5皺、榴8衡和哈1欺5布層的鋼筋混凝要土框架結(jié)構(gòu)見西圖禮1周，這些鋼筋混速凝土結(jié)構(gòu)是按柿Turkis陶h倆規(guī)范設(shè)計(jì)。考皮慮結(jié)構(gòu)所處環(huán)鏈境為土質(zhì)類雄型短Z燥1吊、地軍震湯1星區(qū)，設(shè)計(jì)為等祥級攤為泊1麻級，其中恒載棚、活載以及地保震荷載在設(shè)計(jì)納中已經(jīng)被考慮牛。偵所有這些鋼筋皺混凝土框架結(jié)悅構(gòu)都抱有知3羽跨，燭長筐8盛m曉，層置高菠3寇m輛。柱子假定與繡地基固結(jié)，鋼艷筋的屈服強(qiáng)度線為訪22kN/豐cm2展，混凝土的抗海壓強(qiáng)度澡為行1走.6kN/c黨m2.完3練層框架結(jié)構(gòu)的苦第一周期經(jīng)計(jì)膽算為居0.54s謙塔，結(jié)構(gòu)中所有科的框架梁截面拘為矩形，寬殿25cm肯、高扛25cm睡，框架柱截面精尺寸為劍30c液m弓x30c閘m拌。牙5襪層框架結(jié)構(gòu)的斯第一周期經(jīng)計(jì)修算為弓0.灌72油s糕，框架梁截面某為矩形，寬牢25cm射、親高貨50惡cm乒，框架柱截面今尺寸前三層為岡4你0c犬m臉x草4請0c健m鐵，后兩層為醒30c睛m嘴x30c腳m呈。掠8期層斗和乳1針5呆層的框架結(jié)構(gòu)喘的周期分別為松0.牽90套s染和嗎1.20s評始，兩者的框架孕梁截面為矩形裹，寬遣25cm坊、斥高慮55冰cm安。疤8節(jié)層結(jié)構(gòu)框架柱棍截面尺寸前五莫層為飲5殘0c民m躺x鉆5活0c賀m島，后三層為遣4沾0c險(xiǎn)m郊x監(jiān)4陪0c謊m殼，報(bào)而森1外5獅層結(jié)構(gòu)框架柱匹截面尺寸前八演層為嘆8償0c旗m蝦x食8棄0c哀m駱，后七層為決6鉆0c棒m肆x釀6怒0c繞m蘿。嗓框架結(jié)構(gòu)的靜朗力彈塑性分析閱法偷對于低等級的百性能，為了估恒計(jì)其需求，就怎需要考慮結(jié)構(gòu)線的非彈性行為竿。靜力彈塑性曲分析法可以用院來識別地震的陶危險(xiǎn)，并選擇鄰性能等級以此住來設(shè)計(jì)性能目桂標(biāo)。在靜力彈津塑性分析法中挪，以側(cè)向荷載牧近似代表由層王間產(chǎn)生的相關(guān)炭慣性力并使結(jié)扒構(gòu)在這個(gè)側(cè)向接荷載作用下產(chǎn)適生的位移大于霜地震設(shè)計(jì)中預(yù)灰期的位移推(跌Li,靈債Y.R.,木威1996)沙。這種分析方出法提供了剪力爛與位移的置換亮關(guān)系并指出非么彈性的界限和招結(jié)構(gòu)側(cè)面負(fù)荷地能力，而曲線留斜率方面的改蹤變表明了各有溫限元的屈服強(qiáng)星度。靜力彈塑塘性分析法的主贈(zèng)要目的是決定擔(dān)結(jié)構(gòu)的荷載數(shù)你量和變形能力麗。這些信息都咬能夠用于評價(jià)駐結(jié)構(gòu)的整體性樓。均在詳細(xì)設(shè)計(jì)了誘鋼筋混凝土框符架結(jié)構(gòu)后，就壺用靜力彈塑性挪分析法評估結(jié)快構(gòu)的斃地震反應(yīng)，為向此電腦程序請Drain附舟2D暖會(huì)被用到。有嚷以下三種簡化遙荷載形式：襯三角屋形伯IB短C汗（洪k=責(zé)1痕）項(xiàng)，伶IB我C線（雄k=繡2佛）和矩形，其歉中到k油是與結(jié)構(gòu)周期傘相關(guān)的系數(shù)，哈用來定義荷載茅豎向因素。它耳們也會(huì)用于姥3培、頁5男、搏8觀和典1交5滾層的鋼筋混凝策土框架結(jié)構(gòu)的復(fù)靜力彈塑性分樂析。般荷載標(biāo)準(zhǔn)的確粒定時(shí)基于設(shè)計(jì)資參數(shù)中的慣性壘力的分布。簡末化的荷載布置忍方式如均布分仇布、三角形分輸布哭、貞IB無C垃分布是最常見朗的荷載參數(shù)。拆地震力的豎向傻分布：旱詞賤指唱下孤（招1勸）醬襖繼避俗電務(wù)（角2反）式中：祥仿C巡vx消為餃豎向分布參數(shù)責(zé)瘦V檔為佩總側(cè)向力設(shè)計(jì)域值，或結(jié)構(gòu)底悔部剪力肉考w芳i條和況w手x泰為前部分結(jié)構(gòu)自重插苦h冊i椅和太h亦x期為愉結(jié)構(gòu)高度（至銅基地算起）錫k號為鋒與結(jié)構(gòu)周期相稼關(guān)的參數(shù)育除這些側(cè)向荷嫩載外，結(jié)構(gòu)還酒承受恒載和活蔥載。驅(qū)P-琴△閑作用在靜力彈誘塑性分析中同堂樣被考慮。側(cè)嘆向荷載一直會(huì)酸增加，直到怖3持、們5庭和滴8繩層的框架結(jié)構(gòu)供樓頂位移暑達(dá)你到具50坊cm渾肉，聰15用層的框架結(jié)構(gòu)倚樓頂位移扔達(dá)父到途100摔須cm服肺。梁柱單元用歪于結(jié)構(gòu)分析，取假定梁在水平乓方向是剛性的仍，考慮非彈性鼻影響單元是鉸敏接的，而應(yīng)變駛強(qiáng)化被忽略。春雙線性彎魂矩聯(lián)—寶轉(zhuǎn)角關(guān)系假定截用于所用梁柱抬單元，由趕ACI金劉318-89冒建議的軸壓荷粗載為—渴彎矩關(guān)系類、禁P龜—智M釋、交互關(guān)系被更用于柱單元屈品服表面。薄弱移破碎區(qū)段的慣壁性矩院I槐cr莖勢，在分析的時(shí)趨候用于所有的宵梁柱。濾I臺cr束取總慣性矩民I緞g甩的一半。舞由靜力彈塑性虧分析法所得的德結(jié)果見豎圖尋2-歷5臣。每個(gè)框架結(jié)駛構(gòu)的彈塑性曲順線都分均布荷窯載、三角形荷窗載以加及殃IB厲C登荷載三種荷載浪方式給出，顯薦示了剪重比與約之相對應(yīng)的層夾間位移。基底馳剪鏈力聚V扁由地面以上所呆有荷載相加得堡到，結(jié)構(gòu)重扯力禽W頓所有樓層重量皇之和。除此之眾外，這些曲線廈還表示結(jié)構(gòu)抗攜側(cè)力的損失情惑況和柱位移下侮的剪切破壞。鍛曲線中曲率的裝變化表明了不根同結(jié)構(gòu)單元屈贊服情況，首先撞是梁屈服，接佳著是柱屈服和筐各單元的剪切投破壞。隨著結(jié)冶構(gòu)自重的增加架，頂層位移增蜘大，出現(xiàn)首次爺屈服和剪切破申壞（見胳圖來2-伴5僻）。在相應(yīng)的李結(jié)構(gòu)位移（水震平位移）下，紐矩形荷載分布百比其它荷載分緞布形式相比會(huì)痛造成更高的剪晝重比掙。至逆框架結(jié)構(gòu)的非高線性時(shí)程分析爺前面對框架結(jié)糠構(gòu)進(jìn)行了靜力竊彈塑性分析，序下面用非線性轟時(shí)程分析法對馬其進(jìn)行分析。晴這些框架結(jié)構(gòu)耐都承受恒載和世活載，同靜力陶彈塑性分析法日一樣，亡P陵-互△摸作用在非線性凝時(shí)程分析中也豪被考慮。在非類線性時(shí)程分析添中村Drain賄寶2D刮程序被利用，及有限元程序也球被用來模擬結(jié)尚構(gòu)。在靜力彈碌塑性分析中所銳描述的模型同瓶樣用于非線性綢時(shí)程分析法中暑，且假定質(zhì)量按集中在節(jié)點(diǎn)處處。鑼結(jié)構(gòu)承受盲的線狂亂種地震情況都其是在以下地震主中被記錄的，變這些地震是美廁國南冶加州喊Anza叉地震、美國加四州伐Parkfi掉eld柜地震、美國西宿部寒Morgan杯離Hill辰地震、土耳其寧Kocael球i面地震、日本鞋Coyota嶼唉Lake療地震、美國子N.步資Palm恐扛Spring李s凳地震、美國加企州骨Northr吵idge攀地震、美國加龍州皆Santa唉桌Barbar煮a情地震、美國條I款m謀perial寇吧Vall無e如y濟(jì)地震、美國加態(tài)州踢Cape脾匪Mendoc榨ino疤地震、日本神串戶炊Kobe捕地震、美國嚷Centra察l六扁Califo災(zāi)rnia攝地震、美國加摔州紹Lytle索Creek欺地震、美國南氣加州齡W藏hittie農(nóng)r膜圍Narrow所s戰(zhàn)凈地震、美國小Hollis嫂ter義衣W械est扣m怖orelan叼d搖地震、美國恩Liver厲m元or互地震、美國加慧州茶CapeM遇endoci姜no子地震。這些數(shù)朽據(jù)取清自華A緒、眠B徹、買C痰、漲D隱四類地區(qū)，來仁用于非線性時(shí)繼程分析。這被選中的地震迫有著不同的頻怪率和地表加速獎(jiǎng)度峰值，數(shù)據(jù)聲來自近地范圍冷因而可以用來少評估結(jié)構(gòu)的反絹應(yīng)并與靜力彈韻塑性分析法所迎得到的結(jié)果比亦較息。煤3固、辜5饑、同8棵和鐘1豈5倆層框架結(jié)構(gòu)的舌非線性時(shí)程分蓋析的結(jié)果見闊圖知-適6斥。由此可以比判較兩種分析方拉法在不同周期笑、不同荷載情歲況，即矩形、眨三角形更和椒IBC(k=結(jié)2鎮(zhèn))報(bào)下四種框架結(jié)得構(gòu)的結(jié)果。結(jié)論應(yīng)在詳細(xì)設(shè)計(jì)了散鋼筋混凝土框主架結(jié)構(gòu)后，靜唇力彈塑性分析刪法和非線性時(shí)不程分析法被執(zhí)摸行來評價(jià)在不宅同荷載情況下怨的地震反應(yīng)。梢靜力彈塑性分盼析法假定抗震個(gè)所設(shè)的目標(biāo)位運(yùn)移量與實(shí)際地主震下的最大位劈移大致一樣。揉從狀圖風(fēng)-前2暗至帖圖憐-攝5谷可以看出，對策于高層的框架吹結(jié)構(gòu)位移增大燒，出現(xiàn)首次屈假服和剪切破壞跳。在相應(yīng)的結(jié)啟構(gòu)位移（水平租位移）下，矩鼠形荷載分布比她其它荷載分布劉形式相比會(huì)造地成更高的剪重?fù)毂确浮Ｊ闹苋缂簣D裕-比6截所示，在所選偶的地表運(yùn)動(dòng)數(shù)滔據(jù)下，非線性抱時(shí)程分析法在衰三角形荷載、勞矩形荷載員和花IBC(k=芬2蓄)壯荷載情況的結(jié)桃果相互比較知迫：靜力彈塑性住曲線在高層框今架結(jié)構(gòu)慘（而8榜和拜1由5旦層框架結(jié)構(gòu)）陰下與非線性時(shí)懷程分析得出的譜結(jié)構(gòu)不是很相芒符。靜力彈塑乖性分析法在矩謎形分布下所得濱的抗震要求要晴比其它荷載方掏式如三角形荷殿載柴、介IBC(k=企2谷)河荷載形式下更能合理。參考文獻(xiàn)役1.拴瘦ATC-40趨層(脾1996),縮前“啞Seismi呈c公evalua溝tion捎仆and賠康R叛e浩trofit盞查of從詳Concre咸te敞與Buildi呼ng舞s離”岸,給拴Vol.1,噴Appli自edTec掃h(yuǎn)nolog摧yCoun至cil,挑Redwoo便dCity梁,膜CA講.羊2.嗓禁FEMA智-斧273擾巧(絲1997)威,蒜“嫂NEHRP匠變Guidel紛ines竹衛(wèi)for蓄還the允立Seis梯m游ic生羽Rehabi梁litati跟on姨輸of杰崖Buildi薪ngs,f用ederal呢E廊m廁ergenc致yMana金ge連m障entAg固enc鏡y掏”刪,諒W鎖ashing織ton刊鹿D.C.君3.歇糟IBC(2封000)惡唉“掠Intern池ationa充l底穴Buildi殼ng遇Cod級e研”扶.天4.系Prakas里h,巷壽V.,Po過well婚,境G.,Ca脊m擋pbell,攤S.(1唐993),骨消DRAIN運(yùn)2DUse事r慢Guide竿雨V1.10賠,投Univer員sity皮of困Califo芽rnia臥at切Berkel政ey凱,舍CA誰.福5.澡睜餅Li,完向Y