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NEHRP 抗震設計技術指導之抗震設計非線性結構分析 (一)
作者:劉春明摘譯    發布於:2018-01-26 17:23:41    文字:【】【】【
摘要:NEHRP 抗震設計技術指導之抗震設計非線性結構分析 (一) 作者:Gregory G. Deierlein, Andrei M. Reinhorn, 和 Michael R. Willford.

美國NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program) 技術指導報告由NIST(National Institute of Standards and Technology) 出版。對抗震設計中問題給出了總結性的綱要。這裏介紹其中的一篇抗震設計非線性結構分析(Nonlinear Structural Analysis for Seismic Design)。便於工程師了解國際上非線性分析在抗震設計中的應用情況。報告較長,將分成幾部分。為了更好的理解,建議大家閱讀原文。


內容

1. 介紹

2. 非線性需求參數和模型屬性

3. 結構組件建模

4. 基礎和土相互作用

5. 非線性靜力分析要求

6. 非線性動力分析要求

7. 參考文獻



1.1 非線性分析在抗震中的作用


結構抗震設計通常使用彈性分析方法,實際上大震下大部分結構將形成非線性變形。性能化設計方法需要確定大震下的非線性反應。隨著計算機技術的發展和試驗數據積累,非線性分析提供了相應手段,來計算結構在彈性分析範圍之外計算結構反應,包含大變形下與非線性材料行為相關的強度和剛度退化。因此,非線性分析可以在新建和現有結構設計中起到重要作用。

 

非線性分析涉及更多的結構知識,應該有特定的目的。非線性分析應用到結構地震工程實踐典型的例子包括:

(1)現有建築評估和抗震改造

2)新建建築中結構材料、體係、或其他超出現有建築規範的適用範圍

3)評估業主特定需求建築性能。




                圖 1-1 舊金山公眾委員會總部,使用非線性時程分析滿足非常嚴格的“立即入住”性能需求。


如果使用非線性分析校核設計不能滿足指定的建築規範要求,必須在項目開始時和規範權威機構建立容許準則。必須明確設計依據,並對所有重要行為水平(說明1)以及如何評估達成一致。



說明 1


性能水平和容許準則

建築地震性能通常與結構、外殼、分區、總高、機械/電力係統、內部的損壞相關聯。建築性能是一個連續變量,為設計目的,對建築功能、適當防護、安全影響較大的主要結構和其他建築組件,要區分相應的性能水平。ASCE 41ASCE 2007)和其他標準通常提供三個性能水平:

IO 立即入住  通過限製結構破壞(即鋼筋屈服,混凝土明顯開裂、非結構破壞)來實現本質上彈性行為。

LS 生命安全  限製結構和非結構部件的破壞,來最小化傷害的危險或人員傷亡,以及保持基本通道暢通。

CP 防止倒塌  通過限製強度和剛度退化開始時結構的變形和力,來保證建築物部分或完全倒塌的危險很小。

 

ASCE 41 容許準則基於結構構件的力和變形。其他需求參數(特別是樓層位移角和樓板加速度)也是非結構構成和總體建築性能的重要參數。(PEER 2010 Willford 2008; PEER/ATC 2010; ATC2009)。此外還有其他重要的性能水平限製(例如建築外殼開始破壞)也對生命期造價和功能有重要影響。


當超過指定性能水平破壞的危險由建築居住和其他因素預測到時(例如,對於典型建築,ASCE 7(ASCE 2010)居住類別 II),通常使用的準則是:在設計基本地震(在ASCE 7 中最大地震烈度的 2/3)下,對最大考慮地震動強度和生命安全,檢查防止倒塌的性能水平。


檢查“立即入住”的近似地震動強度有待研究,因為此性能水平在建築規範中沒有明確說明。



一旦非線性分析和設計基礎目標確定,下一步是指定特定的需求參數和適當的容許準則,定量的評估性能水平。典型需求參數包含結構和非結構構築物的峰值力和變形,層位移角,層加速度。可以檢查其他需求參數,例如累計變形或耗散能,來幫助判斷分析的準確性,以及評估累計破壞效果。

 

相對於成熟的線彈性分析和設計方法,非線性分析技術和應用於設計還在發展中,需要工程師學習新的技能。非線性分析要考慮非彈性行為,由變形和力共同確定的極限狀態。也需要包含基於預期強度、剛度、大變形構件的結構力-變形。取決於結構構件,非線性分析結果可能與假定的輸入參數和使用的類型相關。建議對結構預期出現非線性變形的組件有比較深入的了解,使用分析:

1)確定非線性變形位置

2)特征化屈服單元變形需求,非屈服單元的力需求。

在此方麵,鼓勵使用承載力設計概念幫助保證預期性能(說明 2)。非線性分析概念上能用於追溯結構行為直到開始倒塌,這需要複雜模型通過物理實驗驗證保證接近倒塌的強非線性。因為在結構非線性發展過程中計算需求參數的不確定性,出於設計目的,容許準則應該限製變形到可以預估的區域,在此區域不發生強度和剛度退化突變。


說明 2


承載力設計

承載力設計是設計師建立的一種方法,基於屈服單元力來判斷,哪些單元將屈服(因此需要是延性的),那些不屈服(將按滿足強度要求設計)。這種方法的優點包括:

對不能按比例或詳解的延性反應單元,單元不發生突然破壞。

限製結構中所需造價高的延性措施位置。

對在強震下建築如何反應更明確,對如何確定性能更有把握。

在延性構件中非彈性變形強加變形模式(塑性機構)獲得更可靠的能量耗散。

著名的“強柱/弱梁要求是承載力設計方法的一個例子,目的是避免在柱上形成非線性鉸,柱上成鉸會導致樓層形成機構以及高軸壓下柱子的強度急劇下降。

另一個承載力設計的例子是屈服連接構件設計和偏心支撐中彈性支撐。當使用非線性分析時,通過模擬指定屈服單元和”預定“強度以及受保護的單元保持彈性,可以實現承載力設計。這種方法能在受保護的單元確定並設計最大預期受力需求。




1.2 美國在建築設計中使用非線性分析的背景


美國最早的非線性分析在地震工程中廣泛實際應用是評估和加固現有結構。最早的著名非線性分析應用指導準則是在FEMA 273 NEHRP Guidelines for Seismic Rehabilitation of Buildings(FEMA 1997)  ATC 40 Seismic evalsuation and Retrofit of Concrete Buildings (ATC 1996)中提出的。受限於出版時(1990年代中期)相關知識和計算技術的發展,這些文檔主要集中於非線性靜力(pushover)分析。他們直接寫入ASCE41 Seismic Rehabilitation of Existing Buildings (ASCE 2007),改進寫入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及對應文檔主要考慮現有建築翻新,如果新建建築提供的性能水平容許準則是基於ASCE7選擇的,文檔中的非線性分析指導、構件建模、容許準則也可以應用到新建建築設計。

 

FEMA273ATC40 形成同時,非線性分析概念也被介紹到抗震危險評估方法中,最著名的是HAZUS(Kircher et al 1997a;  Kircher et al. 1997b;  FEMA2006)。特別的,HAZUS建築相關損失評估模型使用非線性靜力分析方法形成建築地震脆弱函數,在 Earthquake Loss Estimation Methodology, HAZUS-99-SR2, Advanced Engineering Building Module(FEMA 2002) 定義。

 

近年來,設計中非線性動力分析已經發展到能滿足建築性能化需要。ATC 58 Guidelines for Seismic Performance Assessment of Buildings (ATC 2009) 使用非線性動力分析對新建或已有建築抗震性能評估,包含關聯結構需求參數到實際破壞和損失度的脆弱模型。非線性動力分析也用於評估那些不在ASCE 7Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures ASCE 2010範圍中的結構係統性能。


高烈度區高層建築設計起到重要的促進作用,下列文檔給出了概括:

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 本指導中定義


熟悉抗震設計非線性分析方法概念的結構工程師引用了大量的術語,其中的含義經常不同。本準則使用下述定義:

骨架曲線:非線性分析模型中使用的結構構件或組件廣義力和變形(或廣義應力和應變)關係。

周期循環剛度退化:在循環加載中,因為屈服強度和剛度減小,在一個給定位移加載循環周期中剛度減小。

周期循環包絡:從結構構件或部件循環加載反應數據獲得的廣義力與變形曲線包絡。

周期循環內剛度退化:屈服發生時同一循環中荷載與變形下降段強度折減。

單調曲線:結構構件或部件單調加載獲得的廣義力與變形曲線。


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