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采用基于性能的塑性设计方法进行屈曲约束支撑RC框架的抗震设计
Baijiu lin Jinping ou
哈尔滨工程大学土木工程学院
哈尔滨工业大学结构动态行为与控制教育部重点实验室
摘 要
在这项研究中，开发了一种基于性能的塑性设计（PBPD）方法，用于屈曲约束支撑钢筋混凝土抗弯框架（RC-BRBFs）的双系统。 双RC-BRBF系统的三线力 - 变形关系被近似为双线性能力曲线以导出屈服位移。 基于能量平衡方程确定设计基础剪力，该能量平衡方程考虑了大武田模型量化的能量耗散能力。 提出了塑料设计程序来导出截面内力。所提出的研究方已经通过BRBs的5层和10层RC框架结构证实。通过非线性静力弹塑性分析和使用FEMA P695推荐的地面运动的时程分析，建立并验证了数值模型以评估抗震性能。 分析结果表明RC-BRBF可以在容量曲线，屈服机理，层间偏移比分布，残余漂移，最大延展性和累积延展性要求方面达到预期的性能水平。 此外，开发的设计程序可以很容易地扩展到其他BRB配置的双重结构系统，以达到所需的抗震性能。
关键词：基于性能的塑料设计（PBPD）双系统
屈曲约束支撑（BRBs）钢筋混凝土框架全球屈服机制
抗震性能
1.介 绍
由于钢芯的非弹性轴向变形，屈曲约束支撑（BRBs）作为一种稳定的能量耗散装置，以及在强烈的地震荷载下数十年内在工程结构中没有整体屈曲的有效的侧向抗载荷构件 [1–4]。 无论在拉伸还是压缩方面，BRB都可以实现大致相同的行为。 先前的实验测试和分析结果已经证明，BRB可以表现出优异的滞后性能而没有任何强度和刚度降低 [1–14]。 此外，在结构体系中增加BRBs时，材料成本，施工和运行管理方面的经济效益明显且具有吸引力，这使得BRB系统广泛应用于工程实践 [5].
目前，BRB钢框架（BRBF）已经通过循环试验进行了广泛分析和测试 [6,7]，双向地震荷载下的全尺度伪动态测试 [8]，以帧为单位的列需求 [9]，最大延展性要求和累积延展性要求 [7]，可替换的性能 [10] 等等。 这些调查提供了这个系统的更多见解，以更可靠地抵制地震作用。 由于显著的滞回性能，BRB越来越多地用于现有钢筋混凝土（RC）结构的抗震加固 [11,12]和新的RC框架系统 [13,14].
为了正确确定高度方向的BRB分布以获得所需的性能，已经开发了许多设计方法。 例如，Sabelli等人 阐述了使用ASCE 7和AISC 341标准的BRBF的设计程序 [15]。Kim和Seo分别采用基于位移的设计方法 [16] 和Teran-Gilmorea和Virto-Cambray [17] 分别执行BRB铰链连接钢框架的设计和BRB钢筋混凝土框架系统的初步设计。 崔和金 [18] 提出了一种基于能量的BRBF设计方法，使用滞后能谱和累积延性谱来确定BRB所需的尺寸。Sahoo和Chao [19] 介绍了Goel和Chao开发的基于性能的塑料设计（PBPD）方法 [20] 对于BRBF设计，其中设计基础剪切通过使用期望的屈服机制和预先选定的目标漂移的能量 - 工作平衡获得。 博斯科和马里诺 [21] 提出了一个设计程序钢框架配备BRBs和适当的行为因素值通过数值研究开发。请注意，大多数这些设计方法都基于梁柱支撑连接的前提固定（例如， [15,16,18,19,21]）并且所有的横向地震力都受到屈曲约束的支撑（例如， [15–19,21]）。然而，这些假设完全忽略了与实际情况不一致的主框架系统的贡献，特别是在钢筋混凝土结构中。
当BRB被配置成刚性框架时，将产生额外的强度和刚度来开发双系统，该系统可以提高整个系统的抗震性能，并且可以显着改善减少残余物漂移 [22]。 关于BRBF作为双重系统的设计，已经做出了一些尝试。 金和崔 [23] 进行了BRB截面积和屈服强度的参数研究，使等效阻尼比最大化，并利用容量谱方法开发了一个简单的设计程序。 Maley等人[24] 针对双BRBF开发了基于位移的设计（DBD）方法。 但是，引力没有考虑到DBD设计程序中。Oviedo等人 [25] 提出了作为变形控制方案的“恒定屈服层 - 漂移比”来定义BRB的屈服变形，并通过参数研究来研究10层结构的地震响应。 如可以看出，这些用于双系统的设计方法没有考虑框架 - BRB相互作用（例如，由于BRB屈服和应变硬化而施加于框架的力需求），这可能低估了横梁和柱相交的内力需求括号。 此外，对于双框架BRB结构的抗震设计，在考虑屈服机制和实现预期抗震性能的非线性漂移需求方面，没有研究，特别是RC框架-BRB系统，其中RC部件的能量耗散能力在大的漂移，而BRB系统保持稳定的滞后行为。
为了达到RC框架-BRB（RC-BRBF）双重系统的所需地震要求，本研究在基于性能的塑料设计（PBPD）方法框架中进行设计，以设计此类系统。 本研究的主要目的是开发RC-BRBF双重系统的设计程序，以考虑BRB和RC框架系统的耗能能力以及严重地面运动下的屈服机制和漂移需求等非弹性行为。 拟议的程序适用于人字形配置的两个RC框架基于中国代码的BRB [26]。 通过非线性静力推覆分析和时程分析，验证了开发方法的有效性和鲁棒性，即在严重地震危险等级下，BRBs的楼层位移比，屈服模式，残余位移和延性需求。
- 基于性能的RC-BRBF系统的塑料设计
2.1用于RC-BRBF的双系统
对于RC-BRBF，在施加垂直载荷（重力和活载）和设计地震侧向力的情况下，整个系统可以由RC框架系统和BRB系统组合来表示 图。1。 框架系统将承受垂直荷载和部分横向地震力FF，而BRB系统将抵抗其余的地震力FB。 应该指出的是，BRB只会抵抗侧向载荷（即没有垂直载荷）的假设是一种简化，因为垂直重力在BRBs的范围内将与大括号相互作用。然而，这种简化在典型情况下是可以接受的。所有BRBs产生，所有梁和基础柱将塑性铰链。
总体结构系统在横向力作用下的容量曲线可以用框架系统和BRB系统的总和来表示，如图1所示 ，对于框架系统和BRB系统，双线性曲线用于近似侧向力 - 位移关系，结果，三线性容量曲线总体系统得到发展。 此外，Vy= VB VF成立，其中Vy; VF和VB是整个系统的设计基础剪力，tem和BRB系统。 假设VB= 1 pVy和VF= 1 - p）y成立，其中p是BRB系统抵抗基础剪力与总系统抵抗力之比。三线性容量曲线可以等同于理想化双线性力 - 位移曲线采用基于能量法的方法 图2（b）中。 双线性系统的屈服位移Dy可以基于平衡区域上方和下方的bilin-耳曲线（S1= S2）对于相同的收益率分段：Dy= Dy1 - p pq其中q = DB= DF; DF和DB是框架的屈服位移系统和BRB系统。
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2.2使用PBPD方法推导设计横向力
Goel和Chao开发的基于性能的塑料设计（PBPD）方法 [20]利用能量平衡概念和全球收益机制来设计结构构件，该构件无需迭代即可同时满足强度和漂移极限。 基本上，PBPD程序假定多自由度（MDOF）耗散的总能量可以使用等效弹性和完美塑性单自由度（EPP-SDOF）系统来估算RC-BRBF系统。 EPP-SDOF耗散的总能量可以用弹性单自由度（E-SDOF）系统吸收的总弹性能量的一部分来估算（图3).由于结构的耗能能力与滞回性能直接相关，不同的结构具有不同的滞回性能，考虑到弹性能量是可恢复的并且与结构滞回性能无关，而非弹性应变能量高度依赖于滞后性能，能量平衡方程被使用：E gEfrac14; cE其中Ee为弹性振动能，Ep为非弹性应变能，EI为地震能量输入。 c = 2ls - 1 = R2是能量修正因子。通过稳定的滞后耗散非弹性应变能没有退化和/或收缩反应，例如韧性钢结构。 然而，对于混凝土结构，滞后环通常不如钢结构那样稳定，并且它们通常具有减小的滞后现象和挤压行为。 为了量化减小的滞后环的影响，Bai将减小的滞后形状与完全滞后形状的面积比定义为滞后能量减少因子g，并且使用等效滞回阻尼来计算g 为结构设计目的，通常采用滞回模型近似计算结构体系的滞回性能。 例如，可以使用Ring-Spring滞后模型对未粘结后张混凝土系统进行建模，可以对RC矩框架和屈曲约束支撑RC框架进行建模。
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2.3结构构件的塑料设计程序
当计算总设计横向力F时，施加于BRB系统和RC框架系统的侧向力Fi和Fi分别可以通过使用上面定义的基础剪切比p来获得。 这意味着作用于整个结构体系的地震荷载分解为两部分和各部分应用于相应的系统，形成所需的屈服机制，便于实施这种双重抗震结构体系的PBPD方法。对于钢筋混凝土框架系统，可以使用塑料设计程序导出分力要求 [27,31]。 更具体地说，需要四个步骤：步骤1：为了防止软件故障机制，使用软故事机制来计算列基的容量。 使用能量平衡方程，其中软外层机构的外部施加载荷所做的工作必须等于第一层柱铰链耗散的能量，则可以计算基柱弯矩需求Mc。步骤2：使用工作 - 能量关系，由设计横向力完成的工作将由步骤1中已经确定其力矩需求的全梁塑性铰链和柱基塑性铰链完全耗散，高度方向的梁塑性力矩M SN和MSP，可以按照计算故事剪切分布因子-i。步骤3：由于直接施加在梁上的垂直荷载不考虑为梁塑性力矩导出，梁将在某些条件下屈服，例如位于低和中等地震活动性的建筑物，其中垂直荷载的相对效应可能潜在地支配梁的设计 [27]。 为了考虑施加在梁上的重力荷载和由于最小钢筋需求更新梁的弯矩需求，以确保设计在安全边界内，方程 (7) 被提出来计算梁所需的负塑性弯矩能力：Mn =最大Msn;其中MSN是步骤2中确定的光束负塑性力矩; q是施加在梁上的均匀分布的垂直载荷; L是从中心线到中心线测量的光束长度; MASN;分是消极的时刻，开采通过该最低限度纵加强要求。 qL2/ 12的值是来自的光束结束时刻均匀分布的负载。 一旦确定了负塑性力矩Mn;，将使用以下表达式更新正塑性力矩Mp;Mp1/4最大(Msp;MASP; 分钟)frac14;最大（MSN;MASP; /分钟）其中MSP是步骤2中确定的光束中的正塑性力矩; R是光束负端矩的比率MSN到正矩MSP; M天冬氨酸;分是由最小纵向增援确定的正向力矩要求。在确定正负设计矩之后，可以使用方程式计算最大正矩的位置。步骤是刷新光束设计时刻和剪切力需求，使光束设计在安全范围内。 有必要指出，在这一步中将获得三个控制矩：Mp，Mn和M最大。步骤4：可以使用“柱树”方法计算色谱柱需求，该方法利用整个色谱柱的自由体图来确保色谱柱容量比来自步骤1中确定的基柱时间的要求更强，并且刷新的束流力需求在步骤3中确定。
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对于V形配置的BRB系统，其变形机制如图1所示 图5（一个）。 楼的侧向力VB将受到BRB的拉伸和压缩的抵制：
其中Ft和Fc分别是拉伸和压缩的BRB屈服力; ai是BRB倾角; /t和/c是拉伸和压缩的阻力系数; b是压缩强度调整系数; fy和Ac;i分别为核心部分的规定最小屈服强度和横截面积。
通过考虑张力强度调整因子（x），可以根据BRBs的预期极限强度计算施加在梁和梁柱连接上的最大荷载效应，一旦高度方向BRB核心段被计算出来， b和材料超强度因子eth;RyTHORN;，如图所示 图5（b）中。 拉伸和压缩中调整后的支撑强度造成的不平衡负载为：
其中Fhj和Fvi是水平和垂直不平衡力分别所产生的水平力将通过左中跨的压缩和右中跨的张力来平衡，并且轴向压缩力和张力取总水平力的一半：
其中TB;i和CB;i分别为预期的梁设计张力和压缩力。 通常推荐的BRB倾角ai从35°到55°不等 [26]。 对于这些情况垂直不平衡力Fv; i相对小于Fh;i，不考虑到梁的设计中，因为其荷载方向与垂直荷载相反，其荷载效应通常远小于均匀的垂直荷载。 因此，这种忽略会使波束处于安全边缘。 然而，当BRB配置有相对较大的倾角时，由于Fv;i与Fh;i相同或更大，因此应考虑垂直不平衡力Fv; i以使梁设计更精确。
BRB系统额外的柱轴力需求由连接处施加的最大支撑力的垂直分量确定，例如柱张力可以计算出第i层的TC;i和压缩力CC,i为：
应该指出的是，对于屋顶楼层，不会施加额外的轴向力。
有必要指出，在目前的PBPD框架中，最初导出了三个部分，包括：（1）修正的能量平衡方程，如方程 (2); （2）滞后能量缩减因子的量化，如图所示 表格1; 和（3）更新梁设计程序。 其他部分，如弹性振动能量和非弹性应变的计算能量和塑料内力的需求保持不变。
2.4设计流程
逐步过程可以总结如下：
从代码要求或工程判断中选择目标漂移率hu，并按照所示的目标屈服机制 图1（C）。 选择受预期BRB系统抵制的基础剪切比率p。
2.沿高度预先确定一些BRB参数大，典型的BRB配置如图6所示。可以看出，每个层的BRB结构由六个参数决定：连接段长度(L)、过渡段长度(L)、核心段长度(L)和连接段(A)、过渡段(A)和核心段(A)的横截面面积。配置时，它和L必须满足下列要求：
其中Lw= Lj Lt Lc是BRB元素的总长度。 重要的是要注意，这个公式是基于以下考虑：当侧向漂移率hu等
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