矩形钢管混凝土的损害评估的性能化设计.doc

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1、矩形钢管混凝土的损伤评估的性能化设计 摘要： 本文总结研究了矩形钢管混凝土（RCFT）构件，结点和框架的损伤演化,详细记载了来自世界各地的实验测试结果。然后定义两种类型的损伤指数用于各类型的矩形钢管混凝土构件量化伤害。基于这个量化值，各局部受损程度被认定为矩形钢管混凝土构件被映射到适当的性能标准，包括直接占用、生命安全、濒临瓦解和塌陷，以确定这种信息可用于性能化设计的方法。记录在数据库中的实验数据也可用于开发一种分析模型来模拟矩形钢管混凝土梁柱评估矩形钢管混凝土结构在抗震上的需求和能力。混合光纤为基础的有限元配方的开发和物质允许几何非线性分析矩形钢管混凝土管，并与实验取得良好的相关性。1、简介

2、在1994年日本阪神及1995年日本神户地震中，性能化设计指南在钢与混凝土结构中已经取得了巨大的进步发展 (航管1996年;联邦紧急事务管理局2000年)。通过引入性能化设计(PBD)，工程师们能设计出更可靠、更经济的结构。为实现这一钢-混凝土组合结构的目标，几个研究已经展开PBD复合构件和钢架（例如：Mehanny and Deierlein 2000；Morino 等人. 2001；Muhummud 2003；Tort and Hajjar 2003，2004）。然而,还有很多工作要做，为客户提供全方位的信息的能力和PBD复合材料结构的需求。矩形钢管混凝土柱中常用在抗侧向荷载的高低框架楼中

3、。由于其优越的抗震特点和经济性，矩形钢管混凝土(RCFT)在复合结构中越来越受欢迎。本文研究了全球矩形钢管混凝土构件损失评估测试结果。损伤评估是基于变形和能量的指标,然后讨论破坏指标。最后,一个解析模型来模拟矩形钢管混凝土构件用于评估地震的需求和能力上的矩形钢管混凝土框架结构。本文介绍的研究方法是基于矩形钢管混凝土结构可靠性设计方法的第一个步骤。 2、实验数据库性能化设计需要评估结构的能力,包括在局部（构件）和整体(系统)的水平。来自世界各地的实验数据提供必要的信息来研究各种类型的矩形钢管混凝土构件的局部承载能力(Tort和Hajjar、2003、2004年)。矩形钢管混凝土的整体承载能力将在

4、以后的课程中分析研究。总共有六个数据库来储存数据，包括矩形钢管混凝土柱，梁柱，面板，连接，结点弯矩抵抗和框架数据库。加载包括一次加载和循环加载试验，使用只在文献记载的测试方法。大量的试件数据集中在梁柱库，而少量的试件聚集在其他数据库：按照六个数据库的排序，一次加载的试验数分别为109，202，38，2，9，4；循环加载的试验数分别为3，59，0，39，0，8。每个数据库包括的信息有试验仪器、材料特性（如：钢铁屈服强度fy，钢铁弹性模量Es，混凝土抗压强度），几何特性（如：高度D，厚度t），和试验结果。描述了试验试件的加载方案和边界条件。材料特性和几何特性的代号和测量结果记录在数据库中。对于试验

5、结构，试件的荷载和变形能力会被存储。还有，破坏模型和局部破坏状态也包括在内，此时的荷载和变形值也记录在内。3、损伤评估在PBD 中，每个性能标准（如：直接占用、生命安全、濒临瓦解和塌陷）都代表结构构件和系统的破坏状态。性能标准总是能够在性能上充分描述。然而，它们也需要术语描述工程类的强度、变形、刚度（Krawinkler 1998）。在本文中，定义基于变形和能量的破坏能力为RCFT构件的极限状态，此时强度和变形值都在变化中。试件的损伤评估包括各局部的损伤程度。量化值的损伤作用帮助关联到局部的损伤程度。基于变形损伤能力（）是局部破坏处的变形（）与最大荷载作用下的挠度（）的比值（在特殊的荷载和不同

6、类型试验的挠度），如方程1所示：（1） 基于能量损伤能力（）是局部破坏处的能量吸收（）与整个试验过程中总能量的吸收（）的比值，如方程2所示：（2） 在荷载-挠度曲线上的试验终止点是由基于试件反馈响应的特点决定的。我们有三种不同的标准。如果RCFT试件表现出变软或淬水的反馈响应，那么在试件刚度变为零时表明了试验的失败。一个弹塑性的荷载-挠度曲线响应在RCFT试验中是常见的。在这样的情况下，试验的终止取决于梁柱、结点和钢架的极限挠度值有6%的偏移。如果RCFT试件表现出突然失效，那么荷载-挠度曲线上的试验终止点即为试验的结束点。方程1和方程2是在单一荷载作用下的试件的计算数据。然而，在循环荷载作用

7、下的破坏评价可采用基于能量的破坏作用，如下：（Kradzig 等人. 1989）式中表示正方向上的荷载中间变量；表示负方向上的荷载中间变量；表示在主正方向圆上的能量耗散；表示在主负方向圆上的能量耗散；表示在次正方向圆上的能量耗散；表示在次负方向圆上的能量耗散；是正常作用下的正挠度；是正常作用下的负挠度（具体参见图一所示的主次圆【Kradzig 等人. 1989；Tort 和 Hajjar 2003，2004】）。对于RCFT构件，我们假定主圆造成试件上的主要破坏，而次圆造成次要破坏。另外，由于RCFT构件的对称性，破坏函数值（破坏指数）在两个方向的荷载也是假定一样的。这些假定来源于基于能量损伤

8、的循环荷载试件的简单化，如方程4式中，是从循环主要曲线到以上假定的破坏点处的面积；是完整主要曲线下的面积；的计算来源于最大荷载作用下的有效试验数据。基于此类试验，假定为计算假定或由试件主曲线的经验公式所得（Hajjar 和Gourley 1997；Tort 和Hajjar 2003）。破坏方程1，2和4可用于数据库中试件的局部破坏。破坏方程的量化值与试件的材料特性和几何特性相关联（如：，fy，），使得在方程中使用损伤指数值，以及联合这些方程所给的边界条件。方程是来源于计算RCFT构件有效延性，以及与试验的回归性分析水平有关。作为一个试样，方程5是计算两端固定等截面梁柱试件在轴向常压力和两个等剪

9、切荷载下的延性即屈服位移（）：式中，P是轴向压力；Pc是核心混凝土的名义强度；P0是复合区域的名义强度。总之，这三种类型的破坏评估功能可以提供有力的RCFT结构的局部破坏特点的PBD。 简而言之，在本文中，主要讲述的是单一荷载作用下的梁柱的损伤评估。（Tort和Hajjar 2003）提供的RCFT构件的损伤评估研究包括的方面有柱，面板，连接，弯矩抵抗和框架。3.1.单一荷载下的梁柱单一加载的梁柱有不同的类型的荷载方案。例如，研究损伤评估测试的样本在双曲率恒轴向载荷（P）和单一增加的剪切载荷（V）下破坏也将会被讨论。最初常见的损伤如翼缘的压曲（YCF），翼缘的拉曲（YTF），翼缘的局部屈曲（L

10、BF）,腹板的局部屈曲（LBW）可以直接从试验荷载挠度曲线中看出。这些损伤函数使用弯矩（M）和弦转角（R）为控制变量。它是不可能从实验数据中确定混凝土裂缝和混凝土破碎点。例如，我们提出了方程6 来估计d基于变形的翼缘拉曲时的损伤指数。损伤指标的参数与轴向载荷比值（）和钢管的荷载比例（）。式中，是翼缘拉曲服点处的位移；是刚管的名义强度。基于能量的函数，也可同样得出；在图2中，变量与参量的关联表明混凝土对结构响应增加的贡献（如：提高等效为的降低），核心混凝土承担了较多的荷载。因此，翼缘拉曲将会推迟而增加。这也可以从图二中的较大轴向荷载将推迟翼缘拉曲和引起值变大中证实。试件的延性得到发挥，显示了稳定

11、的响应和辨别RCFT梁柱的强度储备，从而得到损伤指数。同样的方程来计算损伤指数被提议为保留梁柱在单一荷载作用下的局部损伤水平。基于变形和能量损伤指数的方程可以参见表1（Tort和Hajjar 2003，2004），随着他们的统计性质和基于试验结果适用性上的局限性。3.2. 参数研究参数研究确定了损伤指数的研究范围，从而得知各局部的损伤水平。这个参数研究也可以帮助比较不同地方的相对损伤程度。多层RCFT试件产生基于限制几何特性和材料特性的损伤指数方程如表1所示。然后,每个样本的损伤指数可以求出并能画同一图中。这些都是基于变形和能量的函数。例如，对于单一荷载作用的RCFT梁柱，16个样本可以确定结

12、构参数，和fy 。在图3中，可以看到在单一荷载作用下的RCFT梁柱的基于能量的损伤指数的参数研究。损伤指数和延性指数可以得出。我们可以发现钢管腹板局部屈曲的损伤水平遵循加载时序。另一方面，钢管翼缘的拉曲或压曲是最早发生的损伤。从图3中显示试件的延性严重受到翼缘局部压曲和拉曲的影响。基于图3中损伤指数的变化，包括局部破坏到整体破坏。例如，钢管腹板的的局部屈曲的损伤指数在0.3到0.45之间，即为安全水平（Mehanny和Deierlein，2000）。4、模型分析有限元分析已发展到能够处理复合框架梁到RCFT柱。其分析模型不仅可以解决几何上与物质上的非线性分析而且将来可以解决RCFT钢架的需求和

13、能力评估的性能化设计。用三维瞬态动力学分析受地震荷载作用的RCFT结构复合材料能够探测局部损伤状态（如前部分）。三维有限元分析的RCFT梁柱方程采用（Hajjar 等人 1998）的文章分析。单元刚度矩阵来源于扩大的虚功方程。在虚功方程中，钢筋和混凝土的自由度的分开使得钢管和核心混凝土滑移。这导致了18个自由度梁柱单元,具有独立混凝土和钢材两平移自由度。钢管和核心混凝土被认为具有相同的转动自由度。此外，由于同一函数，剪切平移自由度也被迫相等。因此，钢管和核心混凝土之间的微小位移在轴向是允许的。Hajjar 等人 （1998）采用分布式塑性材料模拟材料的非线性。在分析中，这个单元的端部离散成单一

14、钢材和混凝土纤维以及塑性纤维。沿长度方向的非线性元素采用有限元模型插值函数。在本文中，Hajjar 等人（1998）的有限元公式的提高是采用混合有限元过程状态（Alemdar 2001；Nukala和White 2004）。在公式中，单元的位移和力场是独立采用的；作用独立的内力，比基于位移的平衡方程有更好的网格精度。此外，确切的弯矩变化提高了非弹性长度单元的曲率（Alemdar 2001）。以下两方面Hellinger-Reissner原理，单元的协调性和平衡方程分别如方程7和方程8所示，它们共同解决内力向量的问题。回复力的计算包括两个反复的牛顿迭代运算。在反复运算中，在截面的非线性本构方程和

15、单元的协调性方程自然满足：式中，是单独假定的非主应力，方向是面C2（当前结构）到面C1（最后的结构）；是钢筋混凝土的非主应力，方向是面C2（当前结构）到面C1（最后的结构）；非主协调应变，方向是面C2到面C1；是钢筋和混凝土的非主协调应变向量，方向是面C2到面C1；是假定应力引起的非主应变，方向是面C2到面C1；是结点的位移向量，方向是面C2到面C1；是结点荷载向量，方向是面C2到面C1。非弹性材料采用钢管和核心混凝土的单轴循环应力应变关系模型。混凝土材料模型来源于Chang和Mander（1994），钢筋材料的模型来源于Mizuno 等人（1992），作出如下修改。4.1混凝土本构方程混凝土

16、的循环反应通过应力应变的多项式方程模拟。在单轴压缩试验中的普通混凝土短圆柱，循环应力-应变响应的曲线有三种（Chang和Mander 1994）：包络曲线，卸载曲线和再加载曲线（Sinha 等人 1964；Karsan和Jirsa 1969）。包络曲线是卸载曲线和加载曲线的边界曲线。包络曲线通常以单一荷载为代表得到的应力应变曲线。混凝土的卸载曲线通常是非线性的凹曲线，从开始时刚度较大到达到应力水平时刚度减小而变扁平。再加载曲线表现出更为复杂的形状接近于双曲线的特点。混凝土的压缩包络曲线是从非线性的上升直到混凝土的抗压强度。在混凝土线性关系之后是混凝土的前峰响应。在最大应变处，假定混凝土的强度保

17、持为常值。在RCFT柱的轴压力作用的试验中，许多研究人员（如：Furlong 1967；Inai和Sakino 1996）赞同在最大应力到来之前，钢管和核心混凝土各自独立地承担荷载。在本文中，Collins和Mitchell（1991）的普通混凝土模型是用来模拟混凝土的前锋响应。素混凝土的强度假定受到限制Hajjar er al 1998）。混凝土的后峰响应描述为混凝土强度的降低的斜率（Kc）和混凝土在大应变时的残余强度（）。基于Sakino和Yuping（1994）及Varma（2000）的RCFT柱的轴向荷载作用试验的分析研究，方程9和方程10可以求出Kc和。Kc和的的值分别为0.73和0

18、.68：其中，卸载曲线和再加载曲线保持同样的趋势（Chang和Mander，1994）。混凝土的抗拉响应也可以采用同样的模型。假定作用有拉伸荷载，混凝土表现出上升的趋势直到达到抗拉强度，随后是下降区。Chang和Mander（1994）推荐使用这个方程（Tsai 1988）来模拟混凝土的抗拉反应；这个方程已在本文中引用。4.2 钢材构成 单轴边界面模型（Mizuno at el 1992）是实施模拟RCFT构件中的冷弯钢管的应力应变响应。在单轴界面模型中，我们定义外边界表面和内荷载表面。在边界面传入塑性模块达到极限值的模拟试验观察。在荷载表面层存在着弹塑性物质。Mizuno at el（199

19、2）提出它们的基于热轧部分的边界面模型试验结果。然而，冷轧部分由不同于热轧部分的显著特点，如无关紧要处的应变硬化，以及局部屈曲。在当前钢构模型中，线弹性应力-应变响应被认为是紧随其后的恒定的强度。如果钢管的局部屈曲发生，那么线性强度就会退化。而且，与混凝土的后峰响应相同的是钢管在最大应变时也保持为一个常应力值（fm）。基于轴向荷载作用的RCFT试验数据，局部屈曲处的起始应变值可以用方程11求得（Tort和Hajjar 2003）。方程11中的的值为0.61：钢管在局部屈曲后的应力应变响应描述为强度的下降斜率（Kc）和在高应变下的残余应力（）。参量Kc和确定了校准研究RCFT柱轴向加载试验数据库

20、。在校正的研究中，选择的试件的抗压强度接近材料强度和几何性质。配合混凝土和钢筋模型，试件的荷载挠度曲线便可生成。Kc和不断变化直到计算和试验的挠度曲线相差最小。从参数值的校正中，方程12和方程13可以求出。Kc和。方程12和方程13中的值分别为0.85和0.64。恢复力的反复计算和材料模型采用通用的有限元程序（Hajjar 等人 1998），并对全球的试验数据进行修正。例如，（Bridge，1976；Shakir-Khalil和Zeghiche，1989；Cederwall 等人 ，199）的RCFT梁柱的偏心试验也采用此法；试验结果的精确性分析可查看图4（试件1，1*，2，7，10和13分别

21、有如下数据：（）的值分别为24，20，24，24，15，15；（）的值分别为27，10，23，23，27，27；为6.8，4.3，5.8，6.4，5.6，11.6ksi；为44，42，56，52，55，53ksi。对RCFT试件在一般荷载作用下的试验的进一步验证研究将和循环加载一样进行。5. 总结和结论本文研究了损伤评估RCFT构件的性能化设计准则。从文献中收集的实验测试的数据库和损伤演化的试件数据库通过破坏作用研究。基于损伤指数的范围是从局部破坏中得到的，试验过程中的局部损伤的各种状态被记录在不同的表现水平。收集在数据库中的实验数据也被用来创建一个分析模式用来在需求和能力上评估RCFT框架。基于这个研究观察,有以下结论：1. 在本文中采用变形和能量方法提供了有效地和全面的方法来评价RCFT构件和连接。2. RCFT梁柱的局部破坏水平表现出了明显的交互影响，从而可以用来解决钢管和核心混凝土的复合作用。在损伤方程中，RCFT梁柱的复合作用采用了无量纲的参量（如：，）展现了钢管和核心混凝土的交互影响水平。3. 在RCFT梁柱试验中观察到的损伤水平包括翼缘的压曲和拉曲，翼缘和腹板的局部屈曲，以及其他损伤状态都在直接占用和生命安全状态。4. 有效的和精确的分析模型研究RCFT钢架的极限和评估将作为未来的研究作进一步的研究。