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1、附件 8：毕业设计（论文）外文翻译题 目 矢跨比对泸州龙西中承式 拱桥动力特性影响 专 业 工程力学 班 级 05 级 1 班 学 生 周昌金 指导教师 黎强 重庆交通大学 2009 年12用静力弹塑性分析方法分析方钢管混凝土框架结构抗震性能用静力弹塑性分析方法分析方钢管混凝土框架结构抗震性能摘要：摘要：研究混凝土矩形钢管混凝土结构的抗震性能，通过一个由钢管混凝土 柱和钢梁组成的 10 层抗弯矩框架来进行。结果显示静力弹塑性分析对侧向荷载 比较敏感，因而，建议至少用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
2、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：关键词：方钢管混凝土，静力弹塑性分析，性能曲线，钢筋混凝土介绍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
3、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：1） 基础剪力-顶部位移曲线图反映结构性能； 2） 最大旋转和重要构件的延性； 3） 极限荷载下塑性铰的分布情况； 4） 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
4、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
5、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3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
6、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。1 Push-over 分析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-ove
7、r 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。4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
8、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，限定用户将铰用于 CFRT 柱。为了对比，Han 公式和 USC-RC 程序（南加利福尼亚大学开发的 RC 程序）都使用计算过的 CFRT 的 M-曲线 和 N-M 作用面。如图 3 所示，典型的 CFRT 柱的 N-M 作用面和 M-曲线。1.2 横向荷载形式横向荷载形式在设计地震中，横向荷载是用来表示惯性力的分布的。很明显，惯性力的分 布随着地震级别（也就是非柔性破坏程度）和地震
9、时间的不同而显现多样性。因 为没有单一荷载形式能够引起局部要求的多样性，因此，在 push-over 分析中， 使用两种横向荷载来限制惯性力的分布。一种是使用底部剪力法来计算倒三角横 向荷载形式。另一种是使用包括高形式效果的 SAP2000 计算设计横向荷载形式。 X 方向是水平荷载，Y 方向是研究整个结构的抗震性能的。正如 Dong 等人在 Ref 中提到的，P-效应严重影响无支撑框架的稳定性。因 此，有和没有要求 P-效应的 push-over 分析都用来研究 CFRT 结构关于抗震性 能的 P-效应。1.3 结果结果Push-over 分析的结果可以用来估计结构的潜在延性，估计横向抵抗荷
10、载能力 和鉴定破坏机构。因此，通过分析 push-over 的结果来获得 CFRT 结构的抗震性5能是很重要的。1.3.1 荷载荷载-破坏的关系破坏的关系用底部剪力-顶部位移曲线表示的结构性能在 push-over 分析中用来估计结构 的抗震性能是非常有用的。图 4 表示了 push-over 分析中能力曲线的获得。从图 中我们可以看出 AccelX(Y)-Han-P，AccelX(Y)-USC-RC-P，EQX(Y)-Han- P，EQX(Y)USC-RC-P，和 EQX(Y)-Han-P+由于超过了顶点位移面中止。同时， AccelX(Y)-Han-P+，AccelX(Y)-USC-RC-
11、P+， and EQX(Y)-USC，RC-P+由于整 个结构出现了塑性机构而中止。使用 AccelX(Y)横向荷载引起的初始刚度值和屈 服底部剪力比使用 EQX(Y)横向荷载的要高.因此，结果表明，push-over 分析结果 对横向荷载敏感。另外，如图 4 所示，X 方向和 Y 方向的能力曲线的趋势是相似 的。最终，整个结构的抗震性能可以通过这种情况的一个方向来估计。如图 4 所示，虽然 CFRT 的 M-曲线和 N-M 作用面不同，但能力曲线在弹 性区是相同的。Han 公式计算的 P-和 N-M 曲线得出的屈服后的刚度值比用 USC-RC 程序计算的要高，但是通过对比其它参数来看，差距还
12、有小的。从图 4 中也可以看出由 P-效应引起的 push-over 分析中的极限底部剪力明显 减小。同样，我们可以得出一个结论：P-效应极大的影响抗弯矩框架的抗震性 能。所以，在以后的 MRF 抗震分析中应该考虑这个效应。1.3.2 最终的层间位移最终的层间位移6图 5 中显示了 push-over 分析中末端弯矩的层间位移。这些数据是用来预测 CFRT 结构中的软弱层的。从图 5 中可以看出 1-3 层的层间位移明显高于其它层 的。因此，CFRT 结构软弱部分应该是上例中的前 3 层。在工程应用中应该加强 一下。1.3.3 塑性铰的分布塑性铰的分布我们可以看出尽管横向荷载、CFRT 样的
13、P-效应、M-和 N-M 曲线以及横 向荷载方向不同，但 push-over 分析实例中塑性铰分布都相似。图 6 举例说明 EQX-USC-RC-P push-over 分析实例中在各种情况下，CFRT 框架塑性的发生和范 围。如图 6 所示，塑性屈服首先发生在第一层柱的基础部分。随着横向荷载的增 加，塑性铰发生在一层柱所有的基础部分和二、三层柱的底部。另外，图中所示 2-6 层梁的两端在这个阶段也达到了塑性屈服。如图 6 所示，接着 CFRT 柱和钢 梁中塑性铰的数量持续增加。铰的塑性随着水平荷载的增加而继续扩展。最终， 由于超出了顶部位移或整个结构形成了塑性机构，push-over 分析结
14、束。如图 6 所示，在这个阶段，底层柱基础部分的塑性铰充分发展，同时，2-3 层的 CFRT 柱和钢梁的其它塑性铰也发展到一定程度。因此，我们可以得出这样一个结论， 此例中 CFRT 结构的软弱层出现在 1-3 层，依据 1.3.2 节得出的结论，工程应用 中应加强这部分。2 比较比较为了比较 CFRT 结构和 RC 结构的抗震性能 ，研究了四种由 CFRT 柱组成的 10 层框架。Push-over 分析中应用 SAP2000 对这种结构进行了分析。如表 2 所示， 为了比较方便，除了由于材料和尺寸不同形成的坚直柱外，结构几乎是相同的。 等效强度 RC 柱尺寸的计算基于 CFRT 柱的等效
15、EA。E 是弹性模量，A 是区段 的面积。同样地，等效刚度 RC 柱的计算基于等效 EI。等效边长 RC 柱的计算基 于 CFRT 等效 B。I 是区段的惯性矩，B 是柱的边长。对于不同结构的 push-over 分析，AccelX(Y)横向荷载的计算使用 SAP2000 不考虑 P-效应。7如图 7a 所示，从 CFRT 和 RC 结构的 X 方向性能曲线，我们可以看出，由于 超出顶部位移 1.6m 使得 CFRT 结构的 push-over 分析结束。同时，由于整个结构 塑性机构的形成使得 RC 结构的 push-over 分析结束。由于 RC 结构不能达到顶部 位移。我们得出一个结论，C
16、FRT 结构在延性和变形能力方面优于 RC 结构。另 外，CFRT 结构的屈服和极限底部剪力比 RC 结构要高。因此，得出 CFRT 结构 的抗震性能高于 RC 结构。从图 7b 中我们可能得出相似的结论。因此，CFRT 结 构抗震性能优于 RC 结构。图 7 中对比了 CFRt 结构和 RC 结构的 push-over 分析。CFT 柱的尺寸计算基 于 CFRT 柱的等效 As 和 Ac。As 是钢管的区段面积，Ac 是填充混凝土的面积。 尽管 CFRT 柱在轴向容许能力方面不如 CFT 柱，但是在弯曲能力方面 CFT 柱。 在这个模型中，轴向压缩比小于 0.2。因此柱的抗弯矩能力的影响比轴向容许能8力要大。结果，在模型中 CFRT 结构的抗震性能优于 CFT 结构。3 结论结论本论文中研究了由 CFRT 柱、CFT 柱和 RC 柱组成的 10 层框架结构五种类型 的抗震性能。对比了 push-
