矩形鋼管混凝土的損傷評估的性能化設(shè)計CerkTort明尼蘇達州立大學(xué)土木工程500PillsburyDriveSE美國明尼蘇達州明尼阿波利斯55455-0116e-mail:tort0008@JeromeF.Hajjar明尼蘇達州立大學(xué)土木工程500PillsburyDriveSE美國明尼蘇達州明尼阿波利斯55455-0116e-mail:hajjar@摘要：本文總結(jié)研究了矩形鋼管混凝土（RCFT）構(gòu)件，結(jié)點和框架的損傷演化,詳細記載了來自世界各地的實驗測試結(jié)果。然后定義兩種類型的損傷指數(shù)用于各類型的矩形鋼管混凝土構(gòu)件量化傷害?；谶@個量化值，各局部受損程度被認(rèn)定為矩形鋼管混凝土構(gòu)件被映射到適當(dāng)?shù)男阅軜?biāo)準(zhǔn)，包括直接占用、生命安全、瀕臨瓦解和塌陷，以確定這種信息可用于性能化設(shè)計的方法。記錄在數(shù)據(jù)庫中的實驗數(shù)據(jù)也可用于開發(fā)一種分析模型來模擬矩形鋼管混凝土梁柱評估矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在抗震上的需求和能力?；旌瞎饫w為基礎(chǔ)的有限元配方的開發(fā)和物質(zhì)允許幾何非線性分析矩形鋼管混凝土管，并與實驗取得良好的相關(guān)性。1、簡介在1994年日本阪神及1995年日本神戶地震中，性能化設(shè)計指南在鋼與混凝土結(jié)構(gòu)中已經(jīng)取得了巨大的進步發(fā)展(航管1996年;聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局2000年)。通過引入性能化設(shè)計(PBD)，工程師們能設(shè)計出更可靠、更經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)這一鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的目標(biāo)，幾個研究已經(jīng)展開PBD復(fù)合構(gòu)件和鋼架（例如：MehannyandDeierlein2000；Morino等人.2001；Muhummud2003；TortandHajjar2003，2004）。然而,還有很多工作要做，為客戶提供全方位的信息的能力和PBD復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的需求。矩形鋼管混凝土柱中常用在抗側(cè)向荷載的高低框架樓中。由于其優(yōu)越的抗震特點和經(jīng)濟性，矩形鋼管混凝土(RCFT)在復(fù)合結(jié)構(gòu)中越來越受歡迎。本文研究了全球矩形鋼管混凝土構(gòu)件損失評估測試結(jié)果。損傷評估是基于變形和能量的指標(biāo),然后討論破壞指標(biāo)。最后,一個解析模型來模擬矩形鋼管混凝土構(gòu)件用于評估地震的需求和能力上的矩形鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)。本文介紹的研究方法是基于矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計方法的第一個步驟。2、實驗數(shù)據(jù)庫性能化設(shè)計需要評估結(jié)構(gòu)的能力,包括在局部（構(gòu)件）和整體(系統(tǒng))的水平。來自世界各地的實驗數(shù)據(jù)提供必要的信息來研究各種類型的矩形鋼管混凝土構(gòu)件的局部承載能力(Tort和Hajjar、2003、2004年)。矩形鋼管混凝土的整體承載能力將在以后的課程中分析研究?？偣灿辛鶄€數(shù)據(jù)庫來儲存數(shù)據(jù)，包括矩形鋼管混凝土柱，梁柱，面板，連接，結(jié)點彎矩抵抗和框架數(shù)據(jù)庫。加載包括一次加載和循環(huán)加載試驗，使用只在文獻記載的測試方法。大量的試件數(shù)據(jù)集中在梁柱庫，而少量的試件聚集在其他數(shù)據(jù)庫：按照六個數(shù)據(jù)庫的排序，一次加載的試驗數(shù)分別為109，202，38，2，9，4；循環(huán)加載的試驗數(shù)分別為3，59，0，39，0，8。每個數(shù)據(jù)庫包括的信息有試驗儀器、材料特性（如：鋼鐵屈服強度fy，鋼鐵彈性模量Es，混凝土抗壓強度fc’），幾何特性（如：高度D，厚度t），和試驗結(jié)果。描述了試驗試件的加載方案和邊界條件。材料特性和幾何特性的代號和測量結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)庫中。對于試驗結(jié)構(gòu)，試件3、損傷評估在PBD中，每個性能標(biāo)準(zhǔn)（如：直接占用、生命安全、瀕臨瓦解和塌陷）都代表結(jié)構(gòu)構(gòu)件和系統(tǒng)的破壞狀態(tài)。性能標(biāo)準(zhǔn)總是能夠在性能上充分描述。然而，它們也需要術(shù)語描述工程類的強度、變形、剛度（Krawinkler1998）。在本文中，定義基于變形和能量的破壞能力為RCFT構(gòu)件的極限狀態(tài)，此時強度和變形值都在變化中。試件的損傷評估包括各局部的損傷程度。量化值的損傷作用幫助關(guān)聯(lián)到局部的損傷程度?；谧冃螕p傷能力（D）是局部破壞處的變形（dcurr）與最大荷載作用下的撓度（d0（1）D基于能量損傷能力（E）是局部破壞處的能量吸收（Ecurr）與整個試驗過程中總能量的吸收（Etotal）的比值，如方程2所示：（2）E在荷載-撓度曲線上的試驗終止點是由基于試件反饋響應(yīng)的特點決定的。我們有三種不同的標(biāo)準(zhǔn)。如果RCFT試件表現(xiàn)出變軟或淬水的反饋響應(yīng)，那么在試件剛度變?yōu)榱銜r表明了試驗的失敗。一個彈塑性的荷載-撓度曲線響應(yīng)在RCFT試驗中是常見的。在這樣的情況下，試驗的終止取決于梁柱、結(jié)點和鋼架的極限撓度值有6%的偏移。如果RCFT試件表現(xiàn)出突然失效，那么荷載-撓度曲線上的試驗終止點即為試驗的結(jié)束點。方程1和方程2是在單一荷載作用下的試件的計算數(shù)據(jù)。然而，在循環(huán)荷載作用下的破壞評價可采用基于能量的破壞作用，如下：（Kradzig等人.1989）式中E+表示正方向上的荷載中間變量；E-表示負方向上的荷載中間變量；Esi+表示在主正方向圓上的能量耗散；Esi-表示在主負方向圓上的能量耗散；Ei+表示在次正方向圓上的能量耗散；Ei-表示在次負方向圓上的能量耗散；式中，Ecb是從循環(huán)主要曲線到以上假定的破壞點處的面積；Em是完整主要曲線下的面積；Ecb的計算來源于最大荷載作用下的有效試驗數(shù)據(jù)破壞方程1，2和4可用于數(shù)據(jù)庫中試件的局部破壞。破壞方程的量化值與試件的材料特性和幾何特性相關(guān)聯(lián)（如：Dt，fy，fc‘），使得在方程中使用損傷指數(shù)值，以及聯(lián)合這些方程所給的邊界條件。方程是來源于計算RCFT構(gòu)件有效延性，以及與試驗的回歸性分析水平有關(guān)。作為一個試樣，方程5是計算兩端固定等截面梁柱試件在軸向常壓力和兩個等剪切荷載下的延性即屈服位移式中，P是軸向壓力；Pc是核心混凝土的名義強度；P0是復(fù)合區(qū)域的名義強度?？傊?，這三種類型的破壞評估功能可以提供有力的RCFT結(jié)構(gòu)的局部破壞特點的PBD。簡而言之，在本文中，主要講述的是單一荷載作用下的梁柱的損傷評估。（Tort和Hajjar2003）提供的RCFT構(gòu)件的損傷評估研究包括的方面有柱，面板，連接，彎矩抵抗和框架。3.1.單一荷載下的梁柱單一加載的梁柱有不同的類型的荷載方案。例如，研究損傷評估測試的樣本在雙曲率恒軸向載荷（P）和單一增加的剪切載荷（V）下破壞也將會被討論。最初常見的損傷如翼緣的壓曲（YCF），翼緣的拉曲（YTF），翼緣的局部屈曲（LBF）,腹板的局部屈曲（LBW）可以直接從試驗荷載撓度曲線中看出。這些損傷函數(shù)使用彎矩（M）和弦轉(zhuǎn)角（R）為控制變量。它是不可能從實驗數(shù)據(jù)中確定混凝土裂縫和混凝土破碎點。例如，我們提出了方程6來估計d基于變形的翼緣拉曲時的損傷指數(shù)。損傷指標(biāo)的參數(shù)與軸向載荷比值（PP0）和鋼管的荷載比例（PsP0式中，dty是翼緣拉曲服點處的位移；Ps是剛管的名義強度?；谀芰康暮瘮?shù)，EtyEtotal，也可同樣得出；在圖2中，變量EtyEtotal與參量Dt的關(guān)聯(lián)表明混凝土對結(jié)構(gòu)響應(yīng)增加的貢獻（如：Dt提高等效為PsP0的降低），核心混凝土承擔(dān)了較多的荷載。因此，翼緣拉曲將會推遲而EtyEtotal增加。這也可以從圖二中的較大軸向荷載將推遲翼緣拉曲和引起EtyEtotal值變大中證實。試件的延性得到發(fā)揮，顯示了穩(wěn)定的3.2.參數(shù)研究參數(shù)研究確定了損傷指數(shù)的研究范圍，從而得知各局部的損傷水平。這個參數(shù)研究也可以幫助比較不同地方的相對損傷程度。多層RCFT試件產(chǎn)生基于限制幾何特性和材料特性的損傷指數(shù)方程如表1所示。然后,每個樣本的損傷指數(shù)可以求出并能畫同一圖中。這些都是基于變形和能量的函數(shù)。例如，對于單一荷載作用的RCFT梁柱，16個樣本可以確定結(jié)構(gòu)參數(shù)Dt，LD，fc‘和fy。在圖3中，可以看到在單一荷載作用下的RCFT梁柱的基于能量的損傷指數(shù)的參數(shù)研究。損傷指數(shù)和延性指數(shù)可以得出。我們可以發(fā)現(xiàn)鋼管腹板4、模型分析有限元分析已發(fā)展到能夠處理復(fù)合框架梁到RCFT柱。其分析模型不僅可以解決幾何上與物質(zhì)上的非線性分析而且將來可以解決RCFT鋼架的需求和能力評估的性能化設(shè)計。用三維瞬態(tài)動力學(xué)分析受地震荷載作用的RCFT結(jié)構(gòu)復(fù)合材料能夠探測局部損傷狀態(tài)（如前部分）。三維有限元分析的RCFT梁柱方程采用（Hajjar等人1998）的文章分析。單元剛度矩陣來源于擴大的虛功方程。在虛功方程中，鋼筋和混凝土的自由度的分開使得鋼管和核心混凝土滑移。這導(dǎo)致了18個自由度梁柱單元,具有獨立混凝土和鋼材兩平移自由度。鋼管和核心混凝土被認(rèn)為具有相同的轉(zhuǎn)動自由度。此外，由于同一函數(shù)，剪切平移自由度也被迫相等。因此，鋼管和核心混凝土之間的微小位移在軸向是允許的。Hajjar等人（1998）采用分布式塑性材料模擬材料的非線性。在分析中，這個單元的端部離散成單一鋼材和混凝土纖維以及塑性纖維。沿長度方向的非線性元素采用有限元模型插值函數(shù)。在本文中，Hajjar等人（1998）的有限元公式的提高是采用混合有限元過程狀態(tài)（Alemdar2001；Nukala和White2004）。在公式中，單元的位移和力場是獨立采用的；作用獨立的內(nèi)力，比基于位移的平衡方程有更好的網(wǎng)格精度。此外，確切的彎矩變化提高了非彈性長度單元的曲率（Alemdar2001）。以下兩方面Hellinger-Reissner原理，單元的協(xié)調(diào)性和平衡方程分別如方程7和方程8所示，它們共同解決內(nèi)力向量的問題?；貜?fù)力的計算包括兩個反復(fù)的牛頓迭代運算。在反復(fù)運算中，在截面的非線性本構(gòu)方程和單元的協(xié)調(diào)性方程自然滿足：式中，12D是單獨假定的非主應(yīng)力，方向是面C2（當(dāng)前結(jié)構(gòu)）到面C1（最后的結(jié)構(gòu)）；12Dsc是鋼筋混凝土的非主應(yīng)力，方向是面C2（當(dāng)前結(jié)構(gòu)）到面C1（最后的結(jié)構(gòu)）；12d非主協(xié)調(diào)應(yīng)變，方向是面C2到面C1；12dsc是鋼筋和混凝土的非主協(xié)調(diào)應(yīng)變向量，方向是面C2到面C1；12d是假定應(yīng)力引起的非主應(yīng)變，方向是面C2到面C1；124.1．混凝土本構(gòu)方程混凝土的循環(huán)反應(yīng)通過應(yīng)力應(yīng)變的多項式方程模擬。在單軸壓縮試驗中的普通混凝土短圓柱，循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的曲線有三種（Chang和Mander1994）：包絡(luò)曲線，卸載曲線和再加載曲線（Sinha等人1964；Karsan和Jirsa1969）。包絡(luò)曲線是卸載曲線和加載曲線的邊界曲線。包絡(luò)曲線通常以單一荷載為代表得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線?；炷恋男遁d曲線通常是非線性的凹曲線，從開始時剛度較大到達到應(yīng)力水平時剛度減小而變扁平。再加載曲線表現(xiàn)出更為復(fù)雜的形狀接近于雙曲線的特點?；炷恋膲嚎s包絡(luò)曲線是從非線性的上升直到混凝土的抗壓強度。在混凝土線性關(guān)系之后是混凝土的前峰響應(yīng)。在最大應(yīng)變處，假定混凝土的強度保持為常值。在RCFT柱的軸壓力作用的試驗中，許多研究人員（如：Furlong1967；Inai和Sakino1996）贊同在最大應(yīng)力到來之前，鋼管和核心混凝土各自獨立地承擔(dān)荷載。在本文中，Collins和Mitchell（1991）的普通混凝土模型是用來模擬混凝土的前鋒響應(yīng)。素混凝土的強度假定受到限制Hajjareral1998）?；炷恋暮蠓屙憫?yīng)描述為混凝土強度的降低的斜率（Kc）和混凝土在大應(yīng)變時的殘余強度（frc）?；赟akino和Yuping（1994）及Varma（2000）的RCFT柱的軸向荷載作用試驗的分析研究，方程9和方程10可以求出Kc和frc。Kc和frc其中，卸載曲線和再加載曲線保持同樣的趨勢（Chang和Mander，1994）?；炷恋目估憫?yīng)也可以采用同樣的模型。假定作用有拉伸荷載，混凝土表現(xiàn)出上升的趨勢直到達到抗拉強度，隨后是下降區(qū)。Chang和Mander（1994）推薦使用這個方程（Tsai1988）來模擬混凝土的抗拉反應(yīng)；這個方程已在本文中引用。4.2鋼材構(gòu)成單軸邊界面模型（Mizunoatel1992）是實施模擬RCFT構(gòu)件中的冷彎鋼管的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。在單軸界面模型中，我們定義外邊界表面和內(nèi)荷載表面。在邊界面?zhèn)魅胨苄阅K達到極限值的模擬試驗觀察。在荷載表面層存在著彈塑性物質(zhì)。Mizunoatel（1992）提出它們的基于熱軋部分的邊界面模型試驗結(jié)果。然而，冷軋部分由不同于熱軋部分的顯著特點，如無關(guān)緊要處的應(yīng)變硬化，以及局部屈曲。在當(dāng)前鋼構(gòu)模型中，線彈性應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)被認(rèn)為是緊隨其后的恒定的強度。如果鋼管的局部屈曲發(fā)生，那么線性強度就會退化。而且，與混凝土的后峰響應(yīng)相同的是鋼管在最大應(yīng)變時也保持為一個常應(yīng)力值（fm）。基于軸向荷載作用的RCFT試驗數(shù)據(jù)，局部屈曲處的起始應(yīng)變值可以用方程11求得（Tort和Hajjar2003）。方程11中的R2鋼管在局部屈曲后的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)描述為強度的下降斜率（Kc）和在高應(yīng)變下的殘余應(yīng)力（frs）。參量Kc和frs確定了校準(zhǔn)研究RCFT柱軸向加載試驗數(shù)據(jù)庫。在校正的研究中，選擇的試件的抗壓強度接近材料強度和幾何性質(zhì)。配合混凝土和鋼筋模型，試件的荷載撓度曲線便可生成。Kc和frs不斷變化直到計算和試驗的撓度曲線相差最小。從參數(shù)值的校正中，方程12和方程13可以求出。Kc和frs。方程12和方程13中R恢復(fù)力的反復(fù)計算和材料模型采用通用的有限元程序（Hajjar等人1998），并對全球的試驗數(shù)據(jù)進行修正。例如，（Bridge，1976；Sha