钢结构的性质在EBF地震方面的影响

摘要在适合柔性钢结构设计的稳定系统中，欧洲规范 8proposesMRFsandEBFs。在考虑结构的柔性时，以前的系统被认为是有效的，但是它们在侧向硬度方面有一个严重的缺点，接下来是一个为了在地震作用下维持一个较高的柔性位移而避免过大的侧向位移的繁琐设计过程。由于侧向变形的限制，设计过程经常并不会得到最佳的结构杆件，而是比最小的地震要求的尺寸要过大。由于支撑杆件的作用， EBFs将在链接中产生的塑性铰所提供的高耗能的能力与较高的侧向硬度结合起来。欧洲规范 8为EBF结构建议了一个设计程序。EBF结构考虑所有链接的强度需要反复核对去设计一个具有明确水平的抵抗能力。目前的论文研究调查了 EBFs的地震性能，在日益增加的地震作用下通过IncrementalDynamicAnaly-ses(IDA)来探索EBFs的材料反应。 考虑到钢结构性能在EBFs特性不同的影响，IDAs被采用。根据欧洲规范8，IDAs使用七种虚拟的加速度图。IDAs的目的是系统对地震期间材料性能变化、结构安全分析和结构内部塑性重分布现象能力的反应的可能性评定。根据多水平的性能测试，结构的安全性能将被定义。论文研究也代表了对于可能改善和简化设计的最终建议。关键词：反支撑框架，超额因素，增值动态分析，倒塌形式，失效可能性1引言现在的关于钢结构建筑抗震设计规范中，像欧洲规范 8(UNIEN1998-l:2005)andFEMA350(FEMA2000)，允许采用柔性系统。这样的柔性系统能够使建筑产生较高的塑性变形(例如：塑性铰)来消耗在地震中储存在建筑中的地震能量。结构产生的塑性铰的数量越多，可获得的延展性就越大，因而结构的耗能能力就越大；与此同时，结构构件的塑性转动能力的需要就就减小了，因为塑性变形会传播到整个结构里(图、1a)。事实上，利用塑性资源的可能性会更低程度的考虑一般表达为结构所经历的最大加度的地震的作用，也会避免结构杆件的尺寸过大，这些结构也期望产生塑性变形。通过性能因素(或q因素)和设计方法能力的采用，这些概念被引进欧洲规范8(EN1998-1:2005)。前者只是一个根据结构的反应、无弹性的资源和结构对二次效应的敏感度的系数。后者仅仅在结构构件(临界区域)被选择的区域确保塑性情况的发展，同时保护了所有其他塑性变形应该被限制或不存在的部分。结构节点和连接的最后细节设计连同 CD一起确保了一个有效的耗能机制而没有强度和硬度的减少。很明显，受压杆件临界区域的确定依赖于结构的类型和相关联的倒塌形式：例如图、lb中杆件抵抗框架（MRF），同轴支撑框架（CBF），离心支撑框架（EBF）的最常见的球形倒塌机制是现在所呈现的。根据目前欧洲的标准（UNIEN1998-1:2005），使用在柔性钢结构设计的传统方法考虑所有结构构件（包括所有的连接件）强度后，预测了安全评定方法的实行：使用联合抗震设计的内力设计值应该比相应的设计强度要低一些，通过考虑材料名义上的屈服强度恰当的获得。其他额外的控制要求考虑材料的硬度和延性性能：为了确保被提供的构件有足够的延性，特别的细节设计和尺寸规格应该被采用，尤其要和被选来作为耗能区域的部分相一致。为了获得在假定的设计阶段的塑性铰结构，材料的抵抗性能应该满足一些特别的要求，更有甚者， CD方法应该在结构构件中搁置下来：这些要求控制着塑性铰的分配，这些塑性铰的发展被材料力学性能的实际值所影响。在另一方面，现在欧洲的生产规范（例如EN10025-1-6:2004）并没有在钢材的力学性能上有足够的限制，因此导致了钢材在工艺运送条件和设计标准的不一致。这些不同能够导致结构构件有效的抵抗能力和名义抵抗能力的差异，这些在设计过程中被采用。特别的， OS现象越高，地震强度就越高。塑性铰将会产生影响预期耗能机制的形成。因此，为了避免设计计划中塑性铰位置可能的改变，欧洲规范8引进了足够的安全系数的使用和材料的力学性能的额外核查，这在CD方法中被采用。作为一个例子，在耗能区域，钢的实际和名义上的屈服应力的比例应该由一个超额系数作为上限 （Yov），假定等于1.25。分析离心支撑结果，很明显消耗地震能量的能力完全依赖于本来存在于连接的塑性变形，这些被设计的塑性变形早于横梁、支撑和柱子。特别的，被指定的非耗能构件的OS依赖于连接件的力学和几何特性。在CD框架中，OS—般通过因数。来表示，。定义为塑形设计抗力和耗能元件的有效作用的比例：短链接的剪力和长连接的弯矩。根据欧洲规范8(EN1998-l:2005)，在EBFs中OS系数的分配应该是完全一致的，最大值和最小值的差值应低于25%。这个规定是为了使所有楼层中的链接的塑性现象的分配一致来得到整体耗能机制。另一方面，在目前一些文献 (PopovandEngelhardt1988)的研究中证明：尽管链接的小塑性变形的发展和和设计标准的要求，在 EBFs中不被期望的倒塌机制在许多楼层中有共同的特征。这个结果部分是由于钢材 (Bruneauetal.1998;BoscoandRossi2009)力学性能的名义设计值和实际有效值之间的不同造成的。一般在材料OSYov系数引进时这个差异已经考虑在内。这个差异能够导致在设计假定中失效形式的改变，造成结构的局部倒塌现象和因此避免了地震能量的整体耗散。钢材的最佳抗震性能和复合钢混凝土结构材料质量控制标准， RFCS2011)。目前的工作目的是为了研究材料性能的不同对 EBFs耗能性能的影响和它在一个欧洲研究课题的框架研究中所开展，这个课题由叫做 OPUS的theResearchFundforCoalandSteel所建立(研究的目的是描述根据欧洲规范8(EN1998-1:2005)设计的不同钢结构建筑的结构性能的特点，它考虑了力学性能的不同。特别的，考虑到材料的力学性能的不同和使用七种不同的地震输入，通过非线性IncrementalDynamicAnalyses(IDA)的实施来研究结构的反应。作为欧洲钢材典型的假定，就每一个有关的倒塌标准的活化可能性而言，这个来自使用钢的力学性能真实值的 IDAs的结果是现在所呈现的。它分析了结构安全水平的不同作为地震所施加的要求和材料性能的作用。以这种方式考虑材料性能的不同来评估结构的性能和施加屈服应力(例如虚构的钢材的额外质量核查EN10025)的上限于结构安全所带来的影响是有可能的(例如q因数评估，Braconietal.2013)，这也和评估CD方法的敏感度和Yov系数是一样的，它通过考虑钢 OS而引进。。2推荐的方法论一般的，在地震中当一个或多个构件超过了它所能承受的能力后，结构就会失效：结构的承载能力和所要求的承载按时间出现和相互依赖出现 ，整个结构的失效和单个结构杆件倒塌的顺序是有关的。因此，一个结构系统的完全非线性按时的地震稳定性通过随机的过程指导被处理。在许多情况下，这超出了计算和时间要求 (Pintoetal.2004)。在地震稳定性的实际应用中，遵循一个时间协调的方法是有可能的。在这个方法中，所有的临界杆件的最大反应能被收集起来而忽略他们的非同时发生的反应：以这种方式，时间在收集的变量中被暗中整合。因此，倒塌标准的定义也能由之前预先定义的收集变量值而定义。通过力学特点和结构类型的典型结构特点，倒塌标准也更容易被定义。因此，研究课题在以下地震稳定性框架中采用了时间协调的方法：步骤1.结构系统的深入了解。案例研究的结构特性的知识是通过一些数值模拟的执行，包括非线性静态和动态分析。步骤2.非线性建模和崩溃模式评估。每个结构体系被准确的非线性模型所描述，这些模型能够检测相关的崩溃，这些崩溃为每个结构类型学标准确定。步骤3.地震灾害和输入。根据出极限状态发音有关的设计参数（摘要），地震行为建模采用EN1998-1-1提出的风险模型（2005）校准。根据这个选择，欧洲规范8提出的反应谱（EN1998-1-1:2005）被认为产生七个地震输入时采用非线性时程分析。在这样的背景下，峰值地面加速度 （PGA）是一个适当的强度测量（IM）。相反，采用天然地震事件应该不得不选择另一个IM,在基本周期的谱加速度，阿里亚斯的强度等等。步骤4.机械变量的概率模型。钢力学性能的散射是由多变量模型的屈服强度再保险，H（财年）,抗拉强度Rm（英尺）和断裂伸长（su）他们被认为是与他们的概率相互依赖关系。步骤5.非线性数值模拟分析和最优规划的执行。地震需求之间的相关性和结构响应的案例研究是通过非线性动态分析的执行，与定义的水平峰值加速度（PGA）对应，对于每个不同的地震输入，激活相关的崩溃模式。以这样一种方式，失效模拟特征的数量是根据不同的模式增加的。步骤6.Pfail估计概率过程。来自动态分析的数值结果进行了分析使用统计程序，它为每年的脆弱性曲线和阈值超过数概率相关的崩溃提供了案例研究方法。数值模拟是使用增量执行动态分析技术（IDA）,适用于分析结构响应在不同PGA的水平。3案例研究的描述在最广泛的OPUS框架项目中，15个不同建筑钢和钢-混凝土复合结构（Somjaetal.2013年）被设计出来，以涵盖最常见的几何和功能结构类型析。SecondaryMainbeaflisbeamsShsMStudsSCMainbeamsSewndsfybeamsCoupledRg已!mforverticalloadMainBeafn-EBFS^sternforthelateral「析。SecondaryMainbeaflisbeamsShsMStudsSCMainbeamsSewndsfybeamsCoupledRg已!mforverticalloadMainBeafn-EBFS^sternforthelateral「5tai?ifizationofmainbeam学采用欧洲国家：MRFs,cbf和EBFs办公室、工业建筑和停车场进行了分图2总体规划的建筑办公楼3-4,停车场16b和c梁重复解耦垂直和地震载荷本文处理的地震行为EBF钢结构；三种不同的建筑物，在以下称为建筑3、4andl6,设计根据标准实施规范（EN1990-1,EN1991-1,EN1993-1和EN1998-1:2005）。外部EBF框架被设计为了维持总地震水平力：说明对称元素的配置和质量分布、建筑的设计校准在单一。偏心支撑框架 ，是指每个结构的两个主要方向。可靠性设计 ，执行检查的比较结果和来自动态模态分析3d建筑物的全球模型，适当地阐述了利用SAP2000软件。不同功能的目的地采用EBF案例：适合案例研究3和4的办公建筑和适合建筑16的停车场。位于高地震活动地区建筑3和16设计使用剪短链接，而在位于中低地震活动区域构建4由长弯曲提供链接。建筑3和4有类似的几何特征，提出5层楼的层间高度3.50米，跨度之间的变量6和7米（图3和4）;建筑16的特点是跨度8和10.5米和设计之间只有两层楼层间高度等于 4.0米（图5）。链接的位置和他们的长度是不同的关系类型 （剪切或弯曲）和在地板上的位置。

重复二次梁应用于建筑3和4为了避免垂直负载的数量和连接耗散元素对应的链接（见图2）。使用固定连接在非耗散元素的末端，如支撑和柱和偏心梁、柱之间反向V形支撑（框架3x轴，16xz和16yz,图3和5a,b）；焊接连接的梁，柱关节采用偏心D形支撑框架（图3b和4a、b）。一般EBF建筑的几何属性表1中给出。HEBMHHEB280HEB2&0HE&300BracesBeamswithoutHEB240(inkJPE500BOO60QBQOBraces Beams刚HEBMHHEB280HEB2&0HE&300BracesBeamswithoutHEB240(inkJPE500BOO60QBQOBraces Beams刚thoutHEB240iinkiPE360图3建筑3（短链接）、几何和元素：x轴框架,byz框架TtMOioodaoo6M0SODHEB30G^=700mmHE吕32。e=700mm1D5D1U5O1D5OTtMOioodaoo6M0SODHEB30G^=700mmHE吕32。e=700mm1D5D1U5O1D5OBrnc&sHEB26QStfanrsw/thoulUnkiPEGOOCafumnsHEB24Q呂COo图5建筑16（短链接）、几何和元素：x轴框架和byz框架对所有案例研究建筑地板系统，其特征是在预制混凝土板桁板使用了全球23厘米的厚度；在建筑的设计中采用3和4钢号S355（名义屈服强度等于355mpa）,而构建16设计使用钢级S275（名义屈服强度等于275mpa）。建筑3和16设计考虑PGA等于0.25g和B类土壤，而对于建筑4PGA相当于0.10g和C采用土壤类别；响应光谱采用意大利设计兼容欧洲规范和实际标准结构（D.M.14/01/2008）。表2总结了垂直和水平载荷的值采用的设计。根据欧洲规范8和建筑的位置、行为因素等于6和4分别采用高延性类（HDC、案例研究3和16）和低延性类建筑（LDC，案例研究4）。目前为止所有描述EBF建筑设计抵抗垂直和水平部队根据实际标准，对地震和静态组合，没有遭受全局或局部的失效。在所有的地板进行优化设计以获得均匀分布的塑料链接现象：操作系统的准确分布因素 被追求，据欧洲规范8（EN1998-1:2005）层中获取变化小于25%。操作系统因素获得的值在表3中做了总结。设计的链接，来自线性动态分析的操作与使用行为因素 ；根据CD的方法，因此设计强度采用其他元件超额的链接，如梁、柱和支架。屈曲压缩现象元素和层间漂移限制的满意度与设计结构元素相关。表4每个建筑的链接剖面和长度BuildiiiESuutyXdirectioiiiYJiieciioaiLinkprofileLinkEen^th(mm)LinkprofileLink (mm)SltbreyJHEB200700HEB2CH)Storey2HEBItiO700HEE200刚Morey3烦Hb：81W450Sufrey4HEBI40450350Roof5HEB120450HEBJGO2504Storey]1PE27Ch卿IPE270].出叩Surrey2IPE2701.00ftIPE2701,000Skbrey3[PE240□MX)IPE24OStorey4EPE22OIPE220LOW〕1W51PEI601,000IPE1&0IJMXl16SkhreyJHEB320HEB300?002HEBjifiO6OTHEB2S0700通常，HEB部分被用在所有建筑的柱和支架；然而，HEB或IPE部分采用链接：HDC建筑剪短链接来提出部分耗散元素（链接长度之间的“e”不同的250和700毫米），而LDC建筑采用IPE部分长时间弯曲链接（链接长度e等于1000毫米）,如表4所示。在下面，一个特定的识别代码将用于快速参考每个结构，指示的数量（3、4、16）,结构类型（EBF）和考虑框架的方向（X为飞机yz平面X或者Y,结果，作为一个例子，在3ebfx框架，框架16ebfy等等）。4非线性模型的描述4.1数字非线性模型为了评估材料性能的影响的可变性EBF的有效地震行为结构，非线性增量动态分析（IDA）是平面框架模型上执行前面描述的案例研究建筑相应的两个主要方向。许多过去的工作证明（骑和波波夫1993;Mastrandrea和Piluso2009）链接元素的造型需要非常准确获取数值结果符合 EBF反应预测。尽管不同的机制涉及的耗散地震能量，长连接和短链接通常弯曲力量结合剪切的发展：链接的模型应当因此能够复制两个因素的影响。许多数值模型在当前科学文献提出了代表链接元素的性能：例如，一个组件与集中塑性铰模型元素的末端 （1969年Gilberson）或两个组件模型由梁工作并行（骑和波波夫1993）提出和深入分析。然而，只有最近的模型可以直接考虑的耗能元件剪切性能（骑和波波夫1993）。U) (h」图6纤维模型和不完美的支架和柱b模型图7a本构法采用弯曲行为,b耗能元件的剪切行为在目前的工作，具有稳定的两个主要模型框架，详细阐述了建筑的使用数值软件OpenSees（玛etal.2007年）。由于上述CD方法（图5）。为了考虑行为的差异对地震行动，一种不同的技术被用于耗能 （链接）,而不是耗能的造型元件（梁、柱）。所有的元素都是模仿“纤维截面元素”（图6）；纤维的尺寸通常等于1.0x1.0平方厘米，采用的网格的部分为了更好的近似的有效结构行为的元素。Menegotto-Pinto法案（1973）,直接实现在OpenSeesSteel02材料模型，用于弯曲行为的代表性的元素（梁、柱、链接和支架）：与运动硬化弹塑性应力-应变关系（图7）。所涉及到的剪切行为的要素，分别被设计为保持在弹性域元素之间（梁，柱和支撑和耗能元件（链接）；前者的建模假设一个线性弹性剪切位移法，而耗散元件，无论是在剪切和弯曲链接的情况下，被作为一个弹塑性硬化特征（图7b）的关系。有关的参数定义的剪切位移关系，提出由方程

（1）,其中Kshear,link代表弹性剪切刚度的考虑, 仏®代表连接单元的腹板截面梁地区，e代表链接长度，GS代表剪切弹性模量和Fyd兔丄赃 分别代表钢材的屈服强度和抗拉强度， DygziidDuLlllk代表相应的位移，最后，■‘ 是链接的塑性转角，适时评估考虑到标准配方和目前的文献，假设等于110和80mrad的剪切和弯曲的链接。Shear,LinkFyTShear,LinkFyTLinkefy. p _fu.73 V3^y,Linkt^u,Lbtk—E'^LirtkShear.Lirtf；:一个单一的非弹性纤维的元素被用来代表柱，梁没有链接和短剪链接；另一方面，两个元素被用来模拟每个长弯曲链接和四个元素被用于各支撑。支撑的屈曲现象直接考虑提供一个初始缺陷等于 1/500的支撑长度的中间点支持，表示在图6b；类似的建模方法也应用包括在柱元件分析 P-的影响（图6B）。在模型中采用的参数执行校准比较从循环加载历史对单一成分的结果（例如支撑）与文献结果（Tremblay2002）。4.2对于EBFs的崩溃标准定义为了评估在地震作用下的结构整体的韧性行为，考虑到实际的标准提供处方（EN1993-1:2005,FEMA2000）和这个在现有的文献中已经提出，所有可能的崩溃机制EBFs进行个性化分析。达到不同的破坏准则为代表的限制条件在IDA模拟基本停止：因此，更高水平的地震作用下崩溃的发生和结构的行为不显著。崩溃的局限性被采用在不同的极限状态，假定最终和正常使用极限状态下的结构性能。很明显，对于EBFs的最重要的标准之一是由于过度的塑性极限转速传递失效而导致的链接元件的崩溃。评价相对垂直位移之间的比是塑性转动（5）和链路长度（E），由式（2）：v1和v2为两端对应的链接垂直位移。剪切短链接 8被评定为纽带的两端之间的相对垂直位移（图.8a）；假设反弯点发生在对应该元素中长，其简要列出在图8B（FEMA3562000），对于很长的弯曲的链接，其性能通常可以近似于一个在曲梁单元，相对位移 8称该元素中长。限制假设根据标准简要在表5