矩形钢管混凝土的损害评估的性能化设计三

矩形钢管混凝土的损伤评估的性能化设计CerkTort明尼苏达州立大学土木工程500PillsburyDriveSE美国明尼苏达州明尼阿波利斯55455-0116e-mail:tort0008@JeromeF.Hajjar明尼苏达州立大学土木工程500PillsburyDriveSE美国明尼苏达州明尼阿波利斯55455-0116e-mail:hajjar@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：MehannyandDeierlein2000；Morino等人.2001；Muhummud2003；TortandHajjar2003，2004）。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。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（Krawinkler1998）。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类型试验的挠度），如方程1所示：龟（论1飞）披测旬沸队眨桐稍猾姓基于能量宵损伤能力姓（）是局拣部破坏处产的能量吸秃收（）与序整个试验绞过程中总搂能量的吸拾收（）的缺比值，如货方苍程盼2赤所示：探（宫2互）惹制菜垃偶贵慢脑猛酿在荷仙载仔-笛挠度曲线傍上的试验仙终止点是波由基于试裳件反馈响润应的特点沈决定顺的。我们越有三种不团同的标准景。如罗果宪RCF书T溪试件表现狠出变软或宾淬水的反贵馈响应，炎那么在试从件刚度变鱼为零时表权明了试验循的失败。葛一个弹塑糊性的荷如载匠-弹挠度曲线功响应厕在带RCF穴T姜试验中是趟常见的。眨在这样的觉情况下，朋试验的终滨止取决于赴梁柱、结激点和钢架净的极限挠爪度值近有脏6捕%择的偏移。森如涨果换RCF姐T额试件表现财出突然失扎效，那么笔荷毛载宇-忠挠度曲线虹上的试验奉终止点即罗为试验的病结束点。探方架程床1蚂和方战程载2热是在单一阻荷载作用鸡下的试件份的计算数炎据。然而泳，在循环疲荷载作用照下的破坏坚评价可采德用基于能耻量的破坏肾作用，如海下：夺（毯Krad辈zig咏桂等音人储.19呼8航9幅）堡式中表示末正方向上汁的荷载中洁间变量；纲表示负方提向上的荷吴载中间变玻量；表示健在主正方牲向圆上的膛能量耗散被；表示在壁主负方向津圆上的能钩量耗散；缠表示在次炮正方向圆滨上的能量阵耗散；表浮示在次负侮方向圆上凑的能量耗呢散；是正瞧常作用下冲的正挠度暖；是正常不作用下的牺负挠度（礼具体参见腊图一所示是的主次圆肤【者Krad单zig洞彩等撕人毅.19改8延9挑；零Tort勇船和约Haj怀jar乎200郊3味，得200锅4汇】）。对铺于阻RCF化T叔构件，我暂们假定主氏圆造成试修件上的主乘要破坏，魄而次圆造据成次要破妨坏。另外齐，由抄于伞RCF踏T占构件的对旗称性，破谢坏函数值脑（破坏指松数）在两小个方向的士荷载也是墨假定一样宣的。这些号假定来源则于基于能内量损伤的娱循环荷载峡试件的简瞎单化，如君方性程工4证式中，是祖从循环主肚要曲线到葬以上假定屑的破坏点蓬处的面积蔽；是完整诊主要曲线锯下的面积拳；的计算耕来源于最估大荷载作垂用下的有谊效试验数戏据。基于糖此类试验询，假定为浮计算假定诞或由试件瓣主曲线的辰经验公式水所得型（放Hajj篇ar裂秆和猴Gour岩ley扮199奴7投；委Tort渐透和缴Hajj狼ar2诞00懒3疼）。软破坏方绸程倘1葛，奔2唐和他4竖可用于数傲据库中试险件的局部海破坏。破茫坏方程的蔽量化值与恩试件的材浅料特性和瑞几何特性屑相关联（包如：浪，痛f秋y清，），使腾得在方程朴中使用损灯伤指数值母，以及联脉合这些方撇程所给的击边界条件林。方程是殃来源于计浪算奶RCF的T缩构件有效植延性，以浙及与试验露的回归性拨分析水平抛有关。作番为一个试装样，方扑程瓜5墙是计算两链端固定等茫截面梁柱扒试件在轴晶向常压力权和两个等婆剪切荷载姨下的延绸性即屈服全位移（）淹：脉式中泪，搂P零是轴向压傍力轿；庭P聚c土是核心混害凝土的名砖义强度刺；迫P蛙0坡是复合区芬域的名义统强度。总攀之，这三范种类型的抱破坏评估妈功能可以棒提供有力候的杯RCF怠T筹结构的局末部破坏特治点生的让PB斗D制。正临廉简而言之旨，在本文汉中，主要店讲述的是塞单一荷载山作用下的肢梁柱的损储伤评估。巷（台Tor占t外和死Hajj选ar2些00睛3港）提供恭的父RCF疫T逼构件的损但伤评估研广究包括的退方面有柱搂，面板，亚连接，弯饲矩抵抗和朴框架。狂3.1找.骆单一荷载职下的梁柱么单一加载碗的梁柱有造不同的类餐型的荷载匪方案。例王如，研究崭损伤评估炼测试的样销本在双曲爸率恒轴向滚载荷幻（跟P豪）和单一绘增加的剪库切载荷眠（倘V也）下破坏昌也将会被荡讨论。最拢初常见的贩损伤如翼慨缘的压曲挑（欣YC志F肺），翼缘兽的拉曲萌（踏YT涨F紫），翼缘售的局部屈栋曲厅（骆LB再F就）锯,识腹板的局摊部屈曲亡（扔LB走W之）可以直抗接从试验纪荷载挠度馒曲线中看右出。出这些损伤栏函数使用礼弯矩附（顺M苍）和弦转省角剩（羽R娱）为控制找变量。它稠是不可能都从实验数祸据中确定猪混凝土裂裤缝和混凝美土破碎点耍。例如，间我们提出洪了方进程碍6漏炕来估梅计堂d侨基于变形载的翼缘拉裕曲时的损澡伤指数。扁损伤指标若的参数与恶轴向载荷秃比值（）群和钢管的煎荷载比例欧（）。吨式中，是本翼缘拉曲获服点处的凑位移；是颜刚管的名友义强度。蜘基于能量厨的函数，颗，也可同疑样得出；梢在摔图飘2蹦中，变量膜与参量的蚀关联表明闸混凝土对宏结构响应阔增加的贡您献（如：冒提高等效爬为的降低变），核心才混凝土承伞担了较多虫的荷载。道因此，翼拐缘拉曲将描会推迟而稿增加。这穷也可以从唉图二中的牌较大轴向甩荷载将推滔迟翼缘拉区曲和引起草值变大中公证实。试慎件的延性失得到发挥搅，显示了新稳定的响芳应和辨丽别锋RCF都T革梁柱的强枝度储备，急从而得到屡损伤指数谋。同样的蚂方程来计识算损伤指兔数被提议纪为保留梁吊柱在单一冬荷载作用比下的局部葱损伤水平输。基于变纠形和能量救损伤指数捷的方程可回以参见全表追1钢（卷Tor披t赵和忠Hajj舌ar2搜00扬3尼，理200类4秒），随着冈他们的统蔬计性质和已基于试验增结果适用女性上的局帖限性。萄3.2.捐永参数研究盗参数研究到确定了损钳伤指数的头研究范围灰，从而得团知各局部凯的损伤水在平。这个拘参数研究隶也可以帮挂助比较不刘同地方的喘相对损伤府程度。多痰层长RCF岸T碧试件产生慎基于限制劣几何特性叠和材料特鸟性的损伤熄指数方程益如敌表但1火所示。然该后缓,裕每个样本铸的损伤指炕数可以求陈出并能画待同一图中设。这些都自是基于变敞形和能量池的函数。逢例如，对屈于单一荷胞载作用污的芳RCF堤T线梁柱悄，蜡1舟6啊个样本可敌以确定结张构参数，谊，肝和渠f棕y孩。在绵图言3尝中，可以酸看到在单钻一荷载作认用下介的絮RCF益T篇梁柱的基纵于能量的果损伤指数振的参数研盆究。损伤语指数和延施性指数可惑以得出。演我们可以归发现钢管塌腹板局部库屈曲的损尚伤水平遵胃循加载时郊序。另一晴方面，钢虏管翼缘的董拉曲或压贤曲是最早腊发生的损比伤。从类图迷3糊中显示试条件的延性马严重受到饲翼缘局部复压曲和拉话曲的影响帜。基于索图仁3盆中损伤指执数的变化嫌，包括局计部破坏到第整体破坏疮。例如，爸钢管腹板膝的的局部场屈曲的损虚伤指数喇在肠0.窑3猴到森0.4谈5颜之间，即述为安全水薯平旅（叼Meha味nn揭y输和制Deie左rlei禾n遥，狭200烤0钩）。狠4登、模型分颠析晚有限元分逆析已发展旬到能够处隙理复合框呜架梁姑到促RCF沃T并柱。其分说析模型不鹊仅可以解俱决几何上蛾与物质上浊的非线性涉分析而且驶将来可以炒解滩决膏RCF坟T台钢架的需冤求和能力林评估的性扔能化设计脖。用三维唇瞬态动力妇学分析受算地震荷载歇作用渐的假RCF纯T赠结构复合念材料能够统探测局部贡损伤状态租（如前部睁分）。裕三维有限粱元分析茄的副RCF伶T堵梁柱方程牌采用厌（遗Hajj唱ar否锄等脱人旅199遇8拖）的文章速分析。单沙元刚度矩蓝阵来源于掏扩大的虚辉功方程。知在虚功方志程中，钢健筋和混凝惰土的自由相度的分开妙使得钢管咸和核心混蒸凝土滑移略。这导致填了劈1葡8能个自由度德梁柱单蹦元祖,站具有独立狱混凝土和淡钢材两平插移自由度始。钢管和侧核心混凝粗土被认为幼具有相同袭的转动自忌由度。此愿外，由于乳同一函数糖，剪切平王移自由度胸也被迫相痰等。因此尊，钢管和箭核心混凝锄土之间的韵微小位移置在轴向是或允许的裁。妹Hajj哥ar绘负等荐人国逃（巨199耕8产）采用分改布式塑性铅材料模拟模材料的非寇线性。在奖分析中，谎这个单元负的端部离幼散成单一皇钢材和混亦凝土纤维克以及塑性减纤维。沿月长度方向录的非线性锦元素采用陆有限元模幸型插值函弟数。土在本文中秩，衣Hajj便ar任焰等人誓（极199矛8槽）的有限燥元公式的太提高是采未用混合有牢限元过程者状态专（葛Alem笨dar飘200茧1再；哈Nuka阵l进a偏和烦Whit糠e20库0兔4炊）。在公留式中，单军元的位移旦和力场是述独立采用帝的；作用晚独立的内必力，比基畜于位移的贝平衡方程辉有更好的馆网格精度竿。此外，紫确切的弯农矩变化提剪高了非弹慧性长度单键元的曲率历（盟Alem妈dar饮200勉1旗）。以下饿两方叙面养Hell拐inge没r-Re毕issn孙e舰r旅原理，单猜元的协调缠性和平衡光方程分减别如方薄程撞7拖和方导程报8火所示，它报们共同解傻决内力向叼量的问题准。回复力巾的计算包亭括两个反便复的牛顿献迭代运算屡。在反复透运算中，蜡在截面的动非线性本纺构方程和联单元的协蝇调性方程凤自然满足汽：外式中，是甜单独假定科的非主应凯力，方向讨是战面蛙C钉2荐（当前结喷构）到捕面声C谈1固（最后的忠结构）；吩是钢筋混残凝土的非膨主应力，突方向是槽面销C叼2例（当前结修构）到结面抽C旁1朗（最后的夜结构）；本非主协调距应变，方果向是豪面较C兼2行到痕面沉C思1脚；是钢筋淹和混凝土困的非主协挺调应变向赞量，方向悔是龄面稻C哗2狼到斧面券C善1治；是假定叙应力引起籍的非主应淘变，方向罩是芳面海C校2尽到客面鬼C解1援；是结点苍的位移向印量，方向胳是富面鞭C逢2碌到锅面瞎C柄1赔；是结点尊荷载向量财，方向是领面找C殿2愧到形面煤C躺1虽。非弹性桂材料采用犬钢管和核报心混凝土钥的单轴循伍环应力应制变关系模乓型。混凝汽土材料模捷型来源好于勾Chan卵g克和肤Mand央e碍r抽（寒199应4贩），钢筋纳材料的模爆型来源洗于志Mizu李no毛较等人稍（睡199路2渐），作出姥如下修改全。扣4.引1捐．混凝土炊本构方程质混凝土的晴循环反应意通过应力超应变的多宝项式方程坟模拟。在探单轴压缩阅试验中的爽普通混凝宝土短圆柱升，循环应委力慧-乓应变响应圣的曲线有降三种案（汇Chan属g唯和远Mand狂er1碍99虹4智）：包络障曲线，卸久载曲线和室再加载曲罢线灶（巾Sinh税a仔许等泊人摘196匹4姿；忽Kars伴a夸n塘和峡Jirs迫a19炒6蹈9悦）。包络寸曲线是卸导载曲线和扯加载曲线多的边界曲楼线。包络贞曲线通常候以单一荷截载为代表棕得到的应距力应变曲锻线。混凝沈土的卸载锄曲线通常哪是非线性释的凹曲线皇，从开始并时刚度较敞大到达到赴应力水平易时刚度减啊小而变扁伤平。再加纸载曲线表离现出更为惰复杂的形遵状接近于霞双曲线的茂特点。代混凝土的起压缩包络场曲线是从疑非线性的壳上升直到毁混凝土的盼抗压强度执。在混凝扬土线性关陪系之后是债混凝土的笔前峰响应孔。在最大缩应变处，碎假定混凝光土的强度屋保持为常败值。乌在巾RCF煤T抄柱的轴压远力作用的教试验中，纪许多研究挨人员（如煤：床Furl话ong什196宵7剑；蛮Ina生i煌和丰Saki惰no1合99砍6援）赞同在计最大应力裹到来之前黎，钢管和宾核心混凝企土各自独战立地承担糕荷载。在嘱本文中侨，弓Coll趋in灭s完和过Mitc罗hel繁l夏（躺199冬1探）的普通悄混凝土模总型是用来斗模拟混凝叨土的前锋柜响应。素棕混凝土的只强度假定什受到限慎制时Hajj优are拔ral垮199雨8列）。混凝伶土的后峰买响应描述蛛为混凝土烘强度的降阻低的斜率彻（贺K锅c显）和混凝芒土在大应耀变时的残牢余强度（嘉）。基朽于喂Saki住n躁o骨和誉Yupi边n讽g农（自199歪4堡）搁及足Varm弯a闭（钩200新0丙）框的片RCF牲T裂柱的轴向塌荷载作用稻试验的分校析研究，础方搁程偏9足和吹方喊程恩1摊0泛可以求视出承K兼c拒和狡。锻K庆c寇和的的值翻分别涂为铅0.7遥3摊和其0.6总8售：其中，房卸载曲线组和再加载纺曲线保持巩同样的趋后势刷（丘Chan彼g坊和厌Mand虎e浪r矮，插199诱4禽）。混凝蔬土的抗拉希响应也可睁以采用同健样的模型地。假定作病用有拉伸绒荷载，混迎凝土表现味出上升的及趋势直到锁达到抗拉社强度，随暮后是下降霞区微。坏Chan区g震和朱Mand械e倾r务（售199氏4少）推荐使淘用这个方荒程哪（位Tsai炒198予8句）来模拟致混凝土的脖抗拉反应怜；这个方棍程已在本忌文中引用饮。们4.2男达钢材构成恭怠左单轴边界唉面模型络（俗Mizu妙noa速tel鹿199辽2普）是实施协模肤拟减RCF轰T狸构件中的轮冷弯钢管疼的应力应耳变响应。筛在单轴界泻面模型中枕，我们定辉义外边界脂表面和内埋荷载表面舌。在边界痕面传入塑幕性模块达杨到极限值爸的模拟试促验观察。颗在荷载表池面层存在裤着弹塑性挣物质估。厌Mizu陆noa洁te散l明（既199竿2绿）提出它丽们的基于滩热轧部分源的边界面棍模型试验拿结果。然申而，冷轧猫部分由不牛同于热轧逢部分的显烈著特点，喊如无关紧木要处的应傲变硬化，级以及局部嫁屈曲。在斥当前钢构言模型中，宰线弹性应成力杆-照应变响应正被认为是少紧随其后灶的恒定的哀强度。如餐果钢管的铲局部屈曲旦发生，那预么线性强隐度就会退泪化。而且麦，与混凝凯土的后峰铃响应相同湿的是钢管虽在最大应邮变时也保凡持为一个闻常应力值供（秩f侧m繁）。基于坑轴向荷载芝作用篇的杜RCF屡T爸试验数据麦，局部屈染曲处的起替始应变值屠可以用方幕程供1节1采求得团（量Tor屿t荡和奔Hajj泽ar2倍00筒3锻）。方穗程公1欠1快中的的值尿为税0.6姑1韵：雹钢管在局我部屈曲后傲的应力应屯变响应描若述为强度符的下降斜震率悲（更K夺c授）和在高底应变下的竟残余应力丹（）。参岩量则K傲c拒和确定了妈校准研雪究则RCF倒T叔柱轴向加贷载试验数感据库。在益校正的研盐究中，选烟择的试件谈的抗压强缓度接近材骑料强度和某几何性质恭。配合混毕凝土和钢护筋模型，蜓试件的荷资载挠度曲捷线便可生莫成棍。干K包c宝和不断油变化直到药计算和试婶验的挠度求曲线相差盈最小。从遵参数值的套校正中，杨方姨程拳1益2胀和方仔程计1相3甜可以求出撇。信K题c腿和。方递程窃1划2传和方薯程钳1若3渐中的值分风别越为隔0.8顷5恰和唯0.6泄4题。联恢复力的销反复计算忙和材料模锁型采用通额用的有限拒元程序宗（荐Hajj糠ar蝴顶等诵人巧199傍8饰），并对绍全球的试类验数据进勾行修正。靠例如，施（裤Brid负g甘e浆，冲197宫6眨；咸Shak塘ir-K泛hali漂l枪和向Zegh心ich杨e逼，线198逗9两；货Cede各rwal薄l北