高层钢结构在长期地震作用下抗震能力的数值与试验评估外文翻译资料

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高层钢结构在长期地震作用下抗震能力的数值与试验评估

摘要：沿俯冲带发生的震级超过八级地震的情况在世界范围内皆有报告。由于大量荷载抵消了因为结构构件老化而产生的累积损伤的影响，因此其对于老式钢结构建筑变得至关重要，但也可能成为基于现行地震规定设计建筑的关键。由于低周期疲劳已经在OpenSees计算框架中发展和运用，使得艺术领域的分析模型可以模拟构件恶化和断裂。该模型应用于遭受长时间记录影响的钢框架结构的地震评估。通过在世界上最大的振动台设备（E-Defense）上对高层钢结构建筑进行的全尺寸长时间震动试验，定量表达高层钢结构建筑抗震能力的数值模型的有效性得到了验证。对于所推荐的数值模型的有限性也进行了探讨。

1. 介绍

近期世界范围内发生的地震（Northridge,1994;Kobe,1995)引发的对于钢框架抗弯结构抗震性能的关注，因为梁柱交点焊接处的脆性断裂时有发生。各种分析研究总结了现存钢框架结构抗震性能中脆性断裂的影响，这迫使地震工程委员会设计改良的钢连接以避免脆性断裂。

然而，由于低周期疲劳的影响，改良的钢结构连接在经受大量的非弹性循环时无法保持完美，许多位置接近俯冲区且遭受长时间地震影响的高层钢结构建筑证明了这一点。原因在于主导地面移动的时间从几秒到十秒，并且主要的持续时长可超过几分钟。这些地震将会与自振周期超过2秒的高层建筑发生共振。此观测报告由最近在日本进行的全尺寸振动台试验证实，该试验原型代表了典型的高层结构。这些试验在世界上最大的振动台模型E-Defense上进行。以前关于在遭受长时间地震下高层钢结构的数值研究也在此次报告中得到证实。

在过去的几年中，大量的数值和试验研究强调了由于地震荷载steel MRFs抗震能力中破裂的重要性。基于地震荷载，Nakashima等调查了steel MRFs中由于梁断裂而造成的内力重分配，主要的结论是：当伴随断裂发生的的旋转已经很大之后的静态内力重分布期间，接下来的断裂不太可能发生。在美国，Luco和Cornell使用大量的钢框架结构作为SAC第二阶段项目的一部分，通过应用经验分析模型来评估脆性断裂，调查了连接处脆性断裂对于steel MRFs地震偏移要求的影响。 他们总结出对偏移的要求越高，连接处断裂的影响越大。

Rodgers和Mahin在试验和数值两方面展示了由于steel MRFs中的大量断裂与激励的共同作用所造成的严重承载力缺失能产生不利的后果，包括倒塌。Nakashima等试验调查了一个steel MRF中连接处断裂后剩余承载力的影响，在此研究中由于在连接断裂处的板也被评估而产生复合影响。他们总结由于板的影响，在底层边缘钢梁断裂后复合steel MRFs的剩余承载力在较大位移处约为最大承载力的35%。最近E-Defense的试验表明了钢结构梁柱连接处在经受长时间地震作用下的弱点，这些连接处由于大量塑性变形而产生断裂，从而导致严重的承载力下降。

因此，研究构件逐渐失效的影响和高层钢结构抗震能力中的延性破坏是很有必要的，这将对有效改进钢结构梁柱连接的技术做出贡献。为此目的，一个能够模拟复杂的逐渐失效现象和最终由于低周期疲劳而发生连接处断裂的数值模型已经被发展且应用于OpenSees平台，并能从PEER获得。构件模型已经由过去几年间全世界的钢构件试验校正，数值模型也已经由最近的全尺寸高层钢结构振动台试验证实。此试验在日本的E-Defense设备上进行，在用相同的数值模型计算后，连接处断裂发生后的的高层钢结构抗震承载力被进行数值上的评估。这个数值模型的有限之处也在论文最后进行了总结。

1. 用于预测因低周期疲劳引发的断裂的数值模型

已经有多种模型被用于探索低周期疲劳对于钢结构梁柱连接处的影响。Bertero和Popov基于加载过量屈曲应力而导致钢梁边缘断裂的应力控制试验，推导出塑性应变振幅和周期数量的关系。Park等结合了由损伤指数中的滞后引起的最大变形和能量耗散。最近，Krawinkler等人基于Coffin–Manson关系，考虑钢构件受到周期性荷载的全部荷载历程，开发了一种数值模型，可以模拟由于地震激励而产生的累积损伤的影响。

为了预测由于低循环疲劳引起的钢支架的非弹性屈曲和断裂，一种结合雨流计数的分布塑性模型被开发，并用钢支架的实验数据进行验证。Krishnan开发了一种弹性纤维元件，可以模拟塑性变形后的屈曲反应，包括钢支撑和细长柱的断裂。Kanvinde等提出并证明了循环空隙生长模型（VGI）的有效性，以评估由于钢连接和钢支撑的低周疲劳导致的延性断裂开始。Lin等人在详细的有限元研究中使用VGI模型预测现场焊接钢连接的断裂开始。Lee和Stojadinovic开发了一种新的循环屈服线塑性铰链模型，用于估计连接位置的旋转能力。该模型适用于设计人员在要求性能测试证明之前评估新的钢连接。Campbell等基于显著分析和实验结果，提出了纳入低周疲劳的地震下钢MRF损伤预测的总结。

本文重点介绍了最近在OpenSees计算框架（http://opensees.berkeley.edu）中实现的非弹性集中可塑性元件，模拟部件退化和低周疲劳疲劳的能力。 特别地，在改进的Ibarra-Krawinkler劣化模型中并入断裂规则，其允许建模（1）强度和刚度劣化，以及（2）破裂导致由于循环载荷而导致的钢梁到柱连接的完全切断。 该分析模型用于极地震荷载下的钢MRF的地震评估，包括对断裂后响应的量化。 重点在于长期长期持续地面运动的高层钢结构建筑。 由于这些地面运动中的大量负载反转，钢结构在强度和刚度方面周期性恶化，并由于低的循环疲劳而最终断裂。

2.1 构件劣化模型

改进的Ibarra-Krawinkler现象分析模型能够通过使用图1所示的参考骨架曲线来模拟刚度和强度分量退化。为了控制循环恶化，使用了由Rahnama和Krawinkler提出的基于能量的规则。改进的Ibarra-Krawinkler模型的滞后响应在过去几年中通过利用钢构件数据库进行劣化建模得到广泛的校准。该数据库包括超过300个钢梁的测试。图。图1a示出了经受单调载荷的钢梁的弹性刚度Ke，前后封盖（局部屈曲发生后）旋转hp，hpc的校准示例。改进的Ibarra-Krawinkler模型使用劣化参数K循环地恶化。该参数是控制强度，刚度和封盖后强度退化模式的钢部件的参考能量耗散能力（见图1b）。有关原始和修改的Ibarra-Krawinkler恶化模型的详细说明可以在这里找到。

2.2 由于低周疲劳引起的断裂模型

为了在第2.1节讨论的数值模型中引入低循环疲劳，实施了断裂定律。对于钢部件，断裂次数N_f的数量表示为当经受循环加载时钢部件的累积能量耗散Ed的函数。该表达式可以根据公式（1），

N_f = a₁E_d^-k (1)

这种关系类似于用于低周疲劳模拟的Coffin-Manson方程，

N_f = bDelta;ε_p^-a (2)

其中Delta;ε_p是钢部件的塑性应变的幅度。方程式（1）和（2）之间的差异是代替钢部件的塑性应变幅度，相对于N_f断裂的循环次数表示耗散的滞回能。方程的对数表达式（1）由下式给出：

logN_f = log(a₁)-klog(E_d) (3)

公式（3）可被进一步简化为：

LogN_f = A-klog(E_d) (4)

方程式（4）中的参数A和k取决于作为经受过地震的一部分结构中钢构件的荷载历史。图2显示了两个不同加载历史对参数A和k的影响。所使用的两种协议是标准的对称加载协议和近故障加载协议（见图2a和b）。在两个示例中都使用相同的钢梁到柱连接（例如，对于两种情况，A和k参数的集合是相同的）。当采用具有增加的非弹性循环的对称加载协议时，钢构件在约4.4％的和弦旋转下破裂（见图2c）。在近故障加载协议的情况下，相同的部件以约8％的弦转动断裂（见图2d）。由于近断层协议的主脉冲之前的非弹性循环的小振幅（见图2b），钢组件不会消耗很多能量；因此它不会断裂。相同的情况可以从图2e和f中看到。这些数字分别表示经受对称和近断层加载方案的相同钢构件的断裂非弹性循环次数与耗散能的数量。在这些图中，钢部件的耗散能量相对于其塑性力矩容量更加归一化。

参数A和k用来自钢组件数据库的可用实验数据进行校正，用于劣化建模。为了校准焊接非加强边缘（WUF）连接的断裂模拟的两个参数（A，k），采用了不同梁尺寸的43个试样。该连接类型的示例如图3a所示。参数A和k的校准基于使用Levenberg-Marquardt算法的非线性最小二乘优化。所使用的目标函数是给定波束旋转时的模拟和测量的弯曲强度之间的差异。基于用于校准参数A和k的钢部件测试，可以得出结论，常数k可用于表示延性失效的钢部件。较大的A值意味着与具有较小A的另一个相比，钢部件更具延展性，即该部件能够在断裂之前耗散更多的能量。Kuwamura和Takagi得出了同样的结论。在他们的评估中，它们与钢部件的断裂次数相关，其累积塑性应变相对于屈服应变归一化。被认为用于本文讨论的数值模型校准的钢样品都以延性方式失效（由于低循环疲劳导致的断裂）。钢梁到柱连接以脆性方式失效的情况（例如Northridge前连接）不是本数据集的一部分，因为本文的重点是评估高层钢结构建筑物的大量抗震能力在断裂之前的非弹性循环。然而，基于与式（2）类似的表达可适用于脆性断裂模拟。WUF钢连接的模拟响应的校准示例如图3b所示。该图显示了包括断裂在内的WUF连接的模拟和实验滞后响应之间的相对良好的匹配。图4a和b分别表示对于两个加载方向的相同钢部件的每个循环的弯曲强度和卸载刚度劣化。从这些图可以看出，相对于循环次数有四个劣化范围。在第一个范围内，没有局部屈曲的迹象；在第二范围内，劣化发生在与局部带扣的连续生长相关联的高速度下；在第三范围内，由于扣环尺寸的稳定性；在最后一个范围内，由于在焊缝或带扣处的裂纹扩展而发生劣化，所以在恒定速率下发生劣化。 早期的实验研究已经得出相同的结论，关于循环负荷对由于低循环疲劳引起的部件退化和断裂的影响。

图4c示出了累积耗散滞回能量与图3b所示的相同钢部件的非弹性循环次数。在该图中，相对于钢部件的塑性弯曲强度，累积耗散能量被归一化。图4d显示了从中使用的一组样品的耗散滞回能量与循环数与断裂数之间的对数关系。这种关系接近于线性（线性回归系数R2=0.86），这与公式（5）相一致。

1. 基准高层建筑验证数值模型

为了验证具有低循环疲劳的改进的Ibarra-Krawinkler劣化模型预测钢结构断裂的能力，我们利用了最近进行的钢结构建筑全面振动台试验的实验数据（见图5a）。这个样本代表了20世纪70年代日本建造的21世纪初的钢结构建筑。该结构在日本世界上最大的地震模拟器设备E-Defense上进行了测试。该地震模拟器可以容纳高达1200公吨的重物，高度为22米。因此，测试采用的概念是建立部分框架具有能够再现原型可能的地震响应的全尺寸钢构件的结构。等同测试样本的第一个4层代表了原型21层结构的底层。三个混凝土替代层代表剩余层的质量和刚度。这些层与安置在结构顶部的橡胶轴承连接。这些层和橡胶轴承以这样的方式来表示21层原型钢结构的上部每5层的总质量和横向刚度。将钢制阻尼器放置在每个混凝土层的重心处，以再现原型结构的上层故障的可能的非线性和能量耗散。试样的几何形状和结构部分如图5b所示。分析和实验证明，试样很好地代表了原型结构的反应。在地震模拟器测试期间共使用678个数据采集通道。基于测试程序之前的白噪声测试，测试框架在纵向（见图5b）的前三个振动周期为2.13秒，0.80秒和0.53秒。相同加载方向的前三个阻尼比分别为2.6％，3.4％和4.7％。关于测试设置和样本的详细信息可以在[18]中找到。

3.1 测试程序

图5所示的试样经历了一系列普通长时间长时间的地震运动，这些地震代表日本地震设计中的设计级别的2-3级，包括ElCentro波，Hog波和三倍的San波。这些运动依次应用于结构。Hog和San地震波是长期持续的地面运动合成的，这些运动通常用于日本近期在这些地面运动对钢结构的影响方面的研究。这两个波的主导时间分别约为三秒，持续时间分别为200和320秒。在东京附近的川崎站预测了Hog波（PGA = 145 cm/s²，PGV = 40 cm/s）。预报在名古屋地区的San波（PGA = 186 cm/s²，PGV = 51 cm/s）。图6显示了与普通地面运动（如ElCentro）相比，这两次地震的加速度和速度谱。关于这两个动议的更多信息可以在[18,24]中找到。

1. 试样的数值模型与验证

在OpenSees仿真平台中，建立了MRF纵向加载方向

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