方钢管混凝土框架结构抗震性能的静力弹塑性(push-over)分析方法.doc

方钢管混凝土框架结构抗震性能的静力弹塑性（push-over）分析方法聂建国，秦凯，肖岩清华大学,土木系,北京,100084;清华大学,土木系,北京,100084;南加利福尼亚大学,土木系,洛杉机,CA90089摘要：通过对一个由钢管混凝土柱和钢梁组成的10层抗弯矩框架（MRF）来研究方钢管混凝土（CFRT）结构的抗震性能。结果表明push-over分析对侧向荷载比较敏感，因此，建议使用至少两种荷载来限制惯性力的分布。M-曲线和方钢管混凝土柱N-M作用表面已由公式和USC-RC程序（南加利福尼亚大学提出的钢筋混凝土程序）计算过，适合接下来的方钢管混凝土结构的push-over分析。P-效应极大地影响MRF地震效应，因此在MRF地震分析时应该考虑到它。另外，分析三种钢筋混凝土（RC）结构来对比CFRT结构和RC结构的抗震性能，结果表明CFRT结构的延性和抗震作用优于RC结构。因此，在地震区推荐使用CFRT结构。关键词：方钢管混凝土，push-over分析，性能曲线，钢筋混凝土介绍过去二十年内已有数位作者提出和发展了静态push-over程序。其中包括Saiidi和Sozen，Faifar和Gaspersic，Bracci等人。这种方法也用来作为现有建筑物的抗震修复设计和评估的工具。Push-over分析的目的在于通过估计结构体系的受力来评价预期情况和地震设计中由静态非弹性分析得出的变形要求。并且把这些要求看作性能等级的可利用性能。Push-over分析是基本的非线性静态分析，这种分析通过假定横向荷载分布在结构高度和增加从零到结构出现破坏时的极限荷载实现的。在分析过程中，要求重力荷载不变。Push-over分析估计以下结构特性方面非常有用：基础剪力-顶部位移曲线图反映结构性能；最大旋转和重要构件的延性；极限荷载下塑性铰的分布情况；预期的极限荷载的局部破坏参数、结构的破坏分布情况。虽然许多研究和设计人员使用钢筋混凝土结构和钢结构的push-over分析，但是，针对钢管混凝土结构的push-over分析仅仅出现在理论中。结构应用中开始逐渐使用CFT柱。一部分原因是由于他们良好的抗震性能，例如：高抗力、高延性和良好的吸收能量的能力。目前，这些结构的理论分析大多集中在CFT构件的静态性能上，以致CFT结构的地震反应很少有人研究。然而关于CFT结构的抗震性能研究在一些论文中也有证明。在Li等人的论文中有关于CFT结构的弹塑性时程分析的讨论。结果表明，在强地震荷载下不会发生不可修复的破坏，这证明CFT结构具有良好的抗震性能。Huang等人研究了由CFT和RC柱组成的5层高的框架结构的抗震性能。在时程分析中使用SAP2000来计算结构的地震反应。分析了CFT和RC结构的动力特性和地震反应。作者总结出CFT结构的抗震性能优于RC结构。Li等人通过实验研究了纵向恒定荷载和循环荷载下双跨三层的CFT框架模型。基于CFT框架模型实验，完成了非线性有限元分析。计算结果跟实验结果相一致，为CFT框架的抗震设计提供了实际的方法。尽管近几年许多研究者研究了CFT框架结构的抗震性能同，但是依据合理性、适用性和效率性限制了不同的弹塑性分析。这些方面需要依据力学模型，hysteretic特性和计算结果来修改。并且仍然需要进行更多的实验来核实这些分析方法的精确度。尽管方钢管混凝土柱在承受能力方面不如圆钢管混凝土柱。但它们在许多其它方面具有优越性，例如：梁-柱联结结构、稳定性和防火方面。因此，世界各地许多国家的高层建筑中逐渐地使用它。然而，方钢管混凝土结构的应用受到严格限制。因为缺乏足够的有关CFRT结构的抗震性能。本文中应用了push-over分析法对一10层结构进行了分析。1Push-over分析研究由方钢管混凝土柱和钢梁组成的10层抗弯矩框架。图1中表示出CFRT结构的结构构件的平面、立面、横断面图。CFRT结构的push-over中应用了SAP2000程序。在SAP2000中建筑物楼板有100mm厚，用薄壳构件做模型。表1中列出了构件的尺寸和材料特性。在SAP2000中，CFRT柱和钢梁作为框架模型的构件。1.1铰的特性地震作用下，框架的塑性铰一般出现在梁柱的末端。对于梁构件，塑性铰大多由单轴弯矩引起。而对柱构件，塑性铰大多由轴向荷载和双轴弯曲弯矩引起。因此，在push-over分析中，应对梁柱构件分别使用不同的塑性铰。在SAP2000中，M3铰用来模拟由单轴弯矩引起的塑性铰。因此，限定用户将M3用于模型中的钢梁上。应用以下假定来计算钢梁弯矩-旋转曲线。1）双线性各向同性的刚性模型用于反映钢梁的应力-应变关系；2）如图2中所示的典型的钢梁M-曲线，平的部分保持平面。同样，SAP2000使用PMM铰来模拟由轴向荷载和双轴弯曲力矩引起的塑性铰。在此模型中，限定用户将