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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 (一)
    作者:刘春明摘译    发布于:2018-01-26 17:23:41    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



    1.1 非线性分析在抗震中的作用


    结构抗震设计通常使用弹性分析方法,实际上大震下大部分结构将形成非线性变形。性能化设计方法需要确定大震下的非线性反应。随着计算机技术的发展和试验数据积累,非线性分析提供了相应手段,来计算结构在弹性分析范围之外计算结构反应,包含大变形下与非线性材料行为相关的强度和刚度退化。因此,非线性分析可以在新建和现有结构设计中起到重要作用。

     

    非线性分析涉及更多的结构知识,应该有特定的目的。非线性分析应用到结构地震工程实践典型的例子包括:

    (1)现有建筑评估和抗震改造

    2)新建建筑中结构材料、体系、或其他超出现有建筑规范的适用范围

    3)评估业主特定需求建筑性能。




                    图 1-1 旧金山公众委员会总部,使用非线性时程分析满足非常严格的“立即入住”性能需求。


    如果使用非线性分析校核设计不能满足指定的建筑规范要求,必须在项目开始时和规范权威机构建立容许准则。必须明确设计依据,并对所有重要行为水平(说明1)以及如何评估达成一致。



    说明 1


    性能水平和容许准则

    建筑地震性能通常与结构、外壳、分区、总高、机械/电力系统、内部的损坏相关联。建筑性能是一个连续变量,为设计目的,对建筑功能、适当防护、安全影响较大的主要结构和其他建筑组件,要区分相应的性能水平。ASCE 41ASCE 2007)和其他标准通常提供三个性能水平:

    IO 立即入住  通过限制结构破坏(即钢筋屈服,混凝土明显开裂、非结构破坏)来实现本质上弹性行为。

    LS 生命安全  限制结构和非结构部件的破坏,来最小化伤害的危险或人员伤亡,以及保持基本通道畅通。

    CP 防止倒塌  通过限制强度和刚度退化开始时结构的变形和力,来保证建筑物部分或完全倒塌的危险很小。

     

    ASCE 41 容许准则基于结构构件的力和变形。其他需求参数(特别是楼层位移角和楼板加速度)也是非结构构成和总体建筑性能的重要参数。(PEER 2010; Willford 2008; PEER/ATC 2010; ATC2009)。此外还有其他重要的性能水平限制(例如建筑外壳开始破坏)也对生命期造价和功能有重要影响。


    当超过指定性能水平破坏的危险由建筑居住和其他因素预测到时(例如,对于典型建筑,ASCE 7(ASCE 2010)居住类别 II),通常使用的准则是:在设计基本地震(在ASCE 7 中最大地震烈度的 2/3)下,对最大考虑地震动强度和生命安全,检查防止倒塌的性能水平。


    检查“立即入住”的近似地震动强度有待研究,因为此性能水平在建筑规范中没有明确说明。



    一旦非线性分析和设计基础目标确定,下一步是指定特定的需求参数和适当的容许准则,定量的评估性能水平。典型需求参数包含结构和非结构构筑物的峰值力和变形,层位移角,层加速度??梢约觳槠渌枨蟛问?,例如累计变形或耗散能,来帮助判断分析的准确性,以及评估累计破坏效果。

     

    相对于成熟的线弹性分析和设计方法,非线性分析技术和应用于设计还在发展中,需要工程师学习新的技能。非线性分析要考虑非弹性行为,由变形和力共同确定的极限状态。也需要包含基于预期强度、刚度、大变形构件的结构力-变形。取决于结构构件,非线性分析结果可能与假定的输入参数和使用的类型相关。建议对结构预期出现非线性变形的组件有比较深入的了解,使用分析:

    1)确定非线性变形位置

    2)特征化屈服单元变形需求,非屈服单元的力需求。

    在此方面,鼓励使用承载力设计概念帮助保证预期性能(说明 2)。非线性分析概念上能用于追溯结构行为直到开始倒塌,这需要复杂模型通过物理实验验证保证接近倒塌的强非线性。因为在结构非线性发展过程中计算需求参数的不确定性,出于设计目的,容许准则应该限制变形到可以预估的区域,在此区域不发生强度和刚度退化突变。


    说明 2


    承载力设计

    承载力设计是设计师建立的一种方法,基于屈服单元力来判断,哪些单元将屈服(因此需要是延性的),那些不屈服(将按满足强度要求设计)。这种方法的优点包括:

    对不能按比例或详解的延性反应单元,单元不发生突然破坏。

    限制结构中所需造价高的延性措施位置。

    对在强震下建筑如何反应更明确,对如何确定性能更有把握。

    在延性构件中非弹性变形强加变形模式(塑性机构)获得更可靠的能量耗散。

    著名的“强柱/弱梁要求是承载力设计方法的一个例子,目的是避免在柱上形成非线性铰,柱上成铰会导致楼层形成机构以及高轴压下柱子的强度急剧下降。

    另一个承载力设计的例子是屈服连接构件设计和偏心支撑中弹性支撑。当使用非线性分析时,通过模拟指定屈服单元和”预定“强度以及受?;さ牡ピ3值?,可以实现承载力设计。这种方法能在受?;さ牡ピ范ú⑸杓谱畲笤て谑芰π枨?。




    1.2 美国在建筑设计中使用非线性分析的背景


    美国最早的非线性分析在地震工程中广泛实际应用是评估和加固现有结构。最早的著名非线性分析应用指导准则是在FEMA 273 NEHRP Guidelines for Seismic Rehabilitation of Buildings(FEMA 1997)  ATC 40 Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings (ATC 1996)中提出的。受限于出版时(1990年代中期)相关知识和计算技术的发展,这些文档主要集中于非线性静力(pushover)分析。他们直接写入ASCE41 Seismic Rehabilitation of Existing Buildings (ASCE 2007),改进写入FEMA 440 Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis Procedures(FEMA 2005)  FEMA 400A Effects of Strength and Stiffness Degradation on Seismic Response(FEMA 2009a)。注意ASCE 41及对应文档主要考虑现有建筑翻新,如果新建建筑提供的性能水平容许准则是基于ASCE7选择的,文档中的非线性分析指导、构件建模、容许准则也可以应用到新建建筑设计。

     

    FEMA273ATC40 形成同时,非线性分析概念也被介绍到抗震危险评估方法中,最著名的是HAZUS(Kircher et al, 1997a;  Kircher et al. 1997b;  FEMA2006)。特别的,HAZUS建筑相关损失评估模型使用非线性静力分析方法形成建筑地震脆弱函数,在 Earthquake Loss Estimation Methodology, HAZUS-99-SR2, Advanced Engineering Building Module(FEMA 2002) 定义。

     

    近年来,设计中非线性动力分析已经发展到能满足建筑性能化需要。ATC 58 Guidelines for Seismic Performance Assessment of Buildings (ATC 2009) 使用非线性动力分析对新建或已有建筑抗震性能评估,包含关联结构需求参数到实际破坏和损失度的脆弱模型。非线性动力分析也用于评估那些不在ASCE 7Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures ASCE 2010范围中的结构系统性能。


    高烈度区高层建筑设计起到重要的促进作用,下列文档给出了概括:

    Seismic Design Guidelines for Tall Buildings (PEER 2010)

    Recommendations for the Seismic Design of High-rise Buildings (Willford et al 2008)

    PEER/ATC 72-1 Modeling and Acceptance Criteria for Seismic Design and Analysis of Tall Buildings (PEER/ATC 2010)

     


    1.3 本指导中定义


    熟悉抗震设计非线性分析方法概念的结构工程师引用了大量的术语,其中的含义经常不同。本准则使用下述定义:

    骨架曲线:非线性分析模型中使用的结构构件或组件广义力和变形(或广义应力和应变)关系。

    周期循环刚度退化:在循环加载中,因为屈服强度和刚度减小,在一个给定位移加载循环周期中刚度减小。

    周期循环包络:从结构构件或部件循环加载反应数据获得的广义力与变形曲线包络。

    周期循环内刚度退化:屈服发生时同一循环中荷载与变形下降段强度折减。

    单调曲线:结构构件或部件单调加载获得的广义力与变形曲线。


    脚注信息

    备案号:粤ICT13053676

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