有孔的门式刚架稳定性研究部翻译.doc

梁柱节点有缺陷的门式刚架在地震效应下的表现研究Tnnim Ahmed，Shigeru Shimizu摘要:这篇论文介绍了在日本用作高速公路高架桥的基本结构框架的薄壁门式钢架的研究成果。在许多这样的框架中发现的严重问题是疲劳裂纹在梁柱连接处发展。作为对疲劳失效的度量，在某些情况下，缺陷总是在刚架的梁柱连接节点处出现。在这项研究中，使用3种不同的地震真实数据动态分析进行了探讨这种有缺陷的框架的整体性能，也对局部水平面以上的位移围绕缺陷的位置的影响。采用有限元程序对MSC.Marc进行非线性、大位移分析。缺陷半径是变化的，并将之当作研究的一个参数。空缺陷相对与地面的位移对于整体有显著作用，尤其是当该缺陷的半径为超过100mm的时候。2011 Elsevier公司保留所有权利。文章信息：文章历史：2010年11月19日收到初稿2011年12月3日收到修改稿2011年12月5日接受论文2011年12月21日网络资源可用关键词：疲劳强度缺陷屈服强度门式刚架动态分析1.介绍：钢结构门式刚架在日本通常用于高速公路高架桥。许多疲劳裂纹在梁柱这些框架的连接节点处出现 13 。对于钢框架的设计和维护存在的问题中，其中之一就是这样的疲劳裂纹的发展。各项案例研究和起因，机制和疲劳效应研究裂缝着手进行 4-8 。一旦裂纹形成并传播，很可能导致脆性断裂并引起结构失效。仅在定期服务条件或在地震的影响下，可能会发生结构失效。一旦裂纹形成裂纹，应采取不同防止发展的补救措施减少疲劳裂纹。此前，为找出钢箱截面柱的性能并且找到有效的改造方法来阻止疲劳裂缝的产生 9-11 进行了实验和数值模拟研究。为了防止疲劳裂纹的发展，找到疲劳改造的方法，Miki等 12 打算在梁柱连接处布置一个缺陷，如图1所示。在这种方法中，一个“巨大地核” 13 被钻至去除高应力强度区，疲劳裂纹等缺陷。本文的主要目的是介绍这个缺陷对结构整体性能的影响并在局部出现围绕平面位移性能的缺陷。由于荷载的变化被认为是很小的，日本公路桥梁设计规范（日本公路桥梁设计说明，JSHB ） 14 并没有具体描述疲劳裂纹或疲劳的具体方法等的设计情况。但规范没有提到要特别注意边角的设计问题，因为力的方向突然改变，特别是当该钢结构是薄壁结构的时候，使得动力传输机制相当复杂。通过对用有限元设计一个十字路口的拐角分析，该代码指出了评估中的主导问题的疲劳设计影响实验，日本钢结构协会（ JSSC ） 15 认为这是疲劳基础上的静态性能的影响，通常不会影响结构的抗震性能。疲劳裂纹从焊缝缺陷，缺口或压力引发在关节部位集中和传播。残余应力也对疲劳裂纹的发展有影响 13,16 。问题是静态设计的常识并不适用于疲劳设计。有时消除疲劳损坏的部分基础评估的应力分析很难适用。因此，这种情况下正常工作需要更详细的分析和研究。他们对箱型柱的抗震性能进行了许多研究，主要针对神户大地震，1995年后日本，例如Morishita等17Ge等人18。但是，几乎所有这些研究都涉及钢柱独自树立，很少有门式刚架框架柱结构的研究。Nakajima等 19 根据地震影响的框架结构研究了门式刚架的抗震性能。目的是研究考虑缺陷从疲劳裂纹的“完整”的门式刚架框架。Silva等人20对半刚性，低矮的结构门式刚架框架进行非线性动力分析。包括几何非线性的有限元模型研究研究表明，几何非线性可能显著影响框架的动态性能。Sakano和Wahab 21 进行了极低周期（ ECL ）的疲劳试验和三维弹塑性有限元墩钢梁柱节点的分析。他们研究了箱截面梁柱节点网格拐角处圆角对ECL“疲劳裂纹萌生寿命的影响”。Shimizu 22 研究了缺陷对钢结构的拐角处的强度对框架的影响。他变换了柱心半径、钢板厚度，并分别研究了有加劲肋和无加劲肋的情况。研究表明该缺陷柱上的强度下降到9时缺陷附近存在压应力。同时也表明，去芯的方法要适当，以防止张力发展到疲劳裂纹区中心位置。然而，对该区域进行压缩时，或者拉伸和压缩的交变应力时，局部屈曲所在的柱需要考虑强度。Shimizu22考虑了静载荷，但是由于该框架的抗震性的影响不能通过进行静态分析解释。为了确保这样的重型结构持续安全运作，有必要进行在复杂载荷条件的预测模型进行详细研究。这需要对实时加载光谱的影响进行赋值。Tanabe等 23 研究了有缺陷的门式刚架上的框架的疲劳强度梁柱连接的影响。在他们的研究中，他们检查了地震载荷的效果。Kawashima和Unjoh 24 研究了地震对公路桥梁的影响，并阐述了其对影响改良抗震设计规范。他们特别注重了Hyogo-ken-Nanbutsu地震（阪神大地震）。结果发现，水平地震力引起的局部面外位移在矩形钢柱钢桥墩的腹板和翼缘。它造成了角焊缝的开裂和在层面上补偿通过柱的垂直强度损失。未来准确地预测桥梁地震时的性能，包括结构构件的非线性效应的钢结构，动态分析是必要的。因此，在本研究进行了动态分析，研究了实时地震荷载作用下结构的抗震性能。在这里，具有不同特性的三次地震被用来研究不同变化对相同结构的影响。对不同组合东西向（EW），南北向（NS）和上下向（UD）成分的地震进行了研究。以缺陷的半径为变量，以观察其对抗震性能的影响。2.分析条件和数值模型2.1地震数据从Niigata Chuetsu地震（2004年），Noto地震（2007年）和Iwate地震，Miyagi地震（2008）的地震数据进行了本研究。各地震不同的特性，从傅立叶频谱图2 可以看出，Iwate地震（EW分量）有主要波分量为2.5-4.5Hz范围内的高频地震。另一方面，其EW分量在Chuetsu地震中其主要波分量频率范围为0.6-0.9Hz。Noto的傅立叶频谱地震（EW分量）与Chuetsu的地震（EW分量）是相似的，其主波频率为0.5-0.6Hz。在研究中使用的模型有一个自然频率为1.7Hz的数据。所以，根据固有振动频率结构和地震的频率，其影响可能会有所不同。同样，Iwate地震的EW分量有6.5 m/s2而峰值加速度的Chuetsu地震的EW分量和Noto地震的EW分量有峰值加速度分别为12.5和4 m/s2。因此，每个地震的特性是不同的。研究所使用的地震数据有三个组成部分：东西向分量（EW），南北向分量（NS）和上下分量（UD）。EW分量是研究所有这三个地震最主导成分。从Iwate地震数据和Noto地震数据全部三个分量进行应用。但对于Niigata Chuetsu地震中，只有EW和NS组件被用作地震载荷。为了确保地震中钢桥墩的安全性，他们的无弹性地震反应接近崩溃需要被准确地预测 25。这项研究研究了包括崩溃阶段结构的缺陷在不同阶段地震负载作用的影响。由于实际地震荷载的结构并没有彻底失效。为了研究结构结构彻底崩溃的情况，将不同的倍增过程中的性能因素用于地震荷载的研究。若Iwate地震的放大因子为6 ，表示6倍于原来地震结构的负载应用于所有三个方向。对于Chuetsu地震，两次地震的EW和NS分量被认为是观察全面崩溃的理论是一样的。如果Noto地震的乘数因子为4，表1则显示了一些在本研究中使用的地震数据的特征属性。在该表中，加速度峰值表示考虑到用于分析的乘法因子。“频率”表示从傅里叶分析中找出主导地震发生的频率分量。每种情况下的频率是完全不同的。在所有的情况下，东西（EW）分量沿轴线的方向施加。图3示出的负荷载门式刚架框架结构的施加方向。在平行于梁轴线方向施加EW分量并在的垂直于梁轴方向上施加NS分量。如果Iwate地震和Noto地震发生，UD分量是在垂直方向上。 2.2 数值模型有限元程序软件MSC.Mark在这里用于数值分析。可以对弹塑形大挠度问题进行分析。用于分析的模型为一个典型的12米高的门式刚架。框架的箱型柱和横梁具有2m2m的横截面。钢板是20mm厚，材料的性能为：弹性模量E=200GPa时，泊松比等于0.3，屈服应力等于315MPa。可变半径的缺陷被安排在梁柱连接处，以观察其对结构的影响。孔洞缺陷的安排情况如图4。从图中可以看出，核心是常见的在Y-Z平面（腹板）和X-Y平面（柱凸缘）都具有相同核心半径的两种梁和柱。对三种不同的情况进行了研究：没有任何缺陷（r=0mm），100 mm半径的缺陷（r=100mm）和150mm半径缺陷（r=150mm）。这些都是在门式刚架中使用的典型的缺陷半径。其中的典型是在东京都市圈高速公路的框架。2.3 分析条件除了自重结构外重量1400t上部结构模式被应用。在该模型中，基地柱被完全固定。位移和旋转连接接地节点被设置为零。在结构的剩余部分，没有考虑任何限制。这是相同的实际结构。在分析中，考虑等效瑞利阻尼则有下面的等式：这里， C是物理系统的阻尼矩阵，M 为物理系统的质量矩阵， K是系统的刚度矩阵，1、2是开始2个模式结构的固有频率， h1、h2是阻尼因子为每个模式（0.02）。模态分析之前，主动态分析以确定不同的固有频率，主动态分析的持续时间为15秒。2.4 有限元网格划分根据结构部件的类型、用途分析，选择所需精度的类型以便于建模。本次调查主要是矩形薄壳单元用于有限元建模。在某些地方，应用三角形壳薄结构以方便建模。由于梁柱连接拐角区是一个特殊的地方也是复杂的负载传送机构，同时，网格尺寸越来越细，图4（b）示出了有限元模型，并对空洞的角区进行布置，以整个门式刚架框架为蓝本进行分析。3 结果3.1 一般分析结果可以呈现为两类。一个是缺陷所在的顶部的整体位移对框架的影响，如图5（a） 。另一种是局部平面外的梁柱连接的拐角区域的位移变化图，如图5（b）所示。3.2 框架顶部的整体位移日本设计规范规定的极限水平位移在顶部的结构高度为1。这里水平位移在特定的时间测量，为顶部的初始位置之间的水平差异角部，其在所示的特定时间位置如图5（a） 。梁的顶部和底部板的位置以及板的位移上的垂直板示如图5（ b）所示。整体水平位移的时间历程平行光束的Iwate地震， Chuetsu地震和Noto地震分别如图6-8 ，图6示出了当该缺陷的半径为100mm时，几乎没有效果位移的现象。但150 mm半径缺陷曲线开始后6秒开始转移。用100mm的缺陷，残余框架位移约为1300mm，该框架150mm缺陷残余位移为1580mm。这种差异可从图中观察到图6在x轴范围8-15秒。因此，残余位移增加了约22。图7，类似于图6 ，显示了Chuetsu地震结构的顶部整体性的时程位移。不同以往，在这种情况下，缺陷的半径为100mm，残余位移有所降低。但同样150mm的半径增加的残余位移相当显著。在结构中不同情况的缺陷，残余位移约为250mm。但在150mm的缺陷的情况下，残余位移增加至320mm。在改变残余位移为近10（减少）百mm缺陷和30（增加）150mm的缺陷。最大水平位移也有这三种情况的不同。该100mm缺陷近似值下降到一定程度。在无缺陷的最大位移从约为370mm提高到450mm的情况下，150mm的缺陷的情况如图7。由此可见，所有在三种情况下没有缺陷、100 mm的缺陷和150mm的缺陷中位移性能同样多达4s。后4 s结构的150mm的缺陷开始向下进行大位移活动，直到最后破坏。虽然位移响应的模式在所有三个情况下是相似的，空洞缺陷影响位移的程度很显著。图8示出Noto地震进行了该结构的响应。在这种情况下，三种分量地震被用于在类似的方式向Iwate地震和用4个例子如前面第2节中所述的放大因子。有一个在最大位移约14 的增长（图8，接近10.5次）时，缺陷半径为100mm，而增长量为50 时，缺陷半径为150mm。无缺陷时的永久的水平位移为175mm。 100 mm的缺陷的引入使永久位移增加至208mm。当缺陷半径为150mm，永久位移更是增加至267mm。永久位移对100mm的缺陷和150mm的缺陷的情况下分别增加为19%和53。150mm缺陷的作用是相当大的。3.3 。缺陷半径对近角区局部位移随着整体水平位移的结构和近角区局部位移研究，对围绕缺陷也进行了研究。应力集中发生在梁柱连接节点处，从而导致钢板的附近区发生了平面位移。该模式在结构的顶部局部位移具有非常相似的位移特性。这表明局部面外位移的和总的位移结构之间的关系。Iwate地震的时间历史曲线附近的局部位移缺陷不同时，Chuetsu地震和Noto地震分别展示了如图9-11所示。图9是在平面外位移的时程曲线彪在梁的刚缺陷下方的底板（图5b）为Iwate地震。由图可知，这两个案例无缺陷和100mm的缺陷几乎相同。但150mm的缺陷绝对增加的金额的平面位移。没有缺陷时残余位移为342mm，当缺陷半径为402mm时，残余位移为150mm，位移量增加约18 。图10示出了平面内的位移为Chuetsu地震。位移的位置是在的顶板梁柱连接附近的光束（图5b） 。的图案时间历程是相同的顶部位移整体结构（图7） 。在这两种情况有突然的变化的位移接近4秒，这表明在局部位移故障开始于顶部的突然增加DISPLA -水泥结构。当没有缺陷，残留了平面变形为144mm和引进150mm缺陷则上升至167mm。因此， 150mm的缺陷由16增加的残余变形。如果Noto地震发生位移发生在梁的底板与梁柱附近的连接节点处。位移为150mm的缺陷在7-10 s正如如图11所示。如果无缺陷的位移的案例之间有150mm缺陷是在近10s时最显著。位移值分别为72mm，和无缺陷时的104mm的框架，明显增加; 150mm的缺陷框架位移的近45。残余位移似乎Noto地震的这种情况下的影响非常小。表2显示出3种不同的地震缺陷半径上的情况下的效果。在表中，括号中的值增加的位移的比例相比于不带缺陷的情况。从表中可以清楚的缺陷对于结构的影响，无论在整体还是局部的效应。最重要的是观察什么样的缺陷半径影响了这些现象。这是发现引进100mm的缺陷在结构上的整体或局部性能和在某些情况下位移甚至减少只有有非常小的影响。唯一的例外是在Noto地震的情况下整体的位移。另一方面，在很大程度上影响150mm的缺陷局部和所有分析的情况下的整体的位移。增加范围在16-53之间，表明位移量决定缺陷的尺寸限制的要求。缺陷半径对局部位移的渐变效果图案从图中可以观察到如图12。该图显示了顶板的相邻的缺陷或光束位移如图所示。柱的连接图5（b）所示为某情况下Chuetsu地震。缺陷半径从逐渐从100变为150mm，改为在的左侧增加了平面位移板，这个缺陷是使得整体上升在局部位移，从而加速了局部故障。4 备注在这项研究中，缺陷半径对薄的性能的影响薄壁箱门式框架结构进行了不同的研究地震荷载具有不同幅度和频率。负载应用程序的持续时间是相同的。如果我们看一下该结构的地震载荷作用下的反应，也可以看出，它们在不同情况下是不同的。如果Iwate地震（图6 ） ，该结构保持稳定在3.5 s并从6秒起至8秒有一个在一个急剧变化的位移。在任何小部分的时间，摆动幅度徘徊在200mm。如果Chuetsu的地震发生后，结构达4秒保持相对稳定。但就在4秒时，有一个非常突然变化的位移，这是一个有点类似于Iwate地震的情况下，但发生在更短的时间。在这种情况下，Noto地震振幅逐渐增加，后10.5 s中保持恒定振幅。该结构的情况下的Iwate的振动频率地震和Chuetsu地震是1.8Hz，而这是在情况下，Noto地震1.4Hz。它应该是注意的是，该结构的固有频率为1.68Hz中第一模式，将其摇晃以平行于该方向光束。这是方向为计算整体水平位移。现在，对影响反应的各种因素之间和结构的破坏，有些是地面的特点，结构类型与地震特性。在这项研究中材料的性能，结构的边界条件为常数。在地震的特性的差异，在第2节所讨论的，是在变化的原因结构响应。其中在本文所述的三种情况下，Noto地球地震中表现出的缺陷半径对响应结构有最突出的影响。使用150mm的结果使整体所有的残余位移，最大位移和水平位移经历了约50陷缺增加。相较于其他两个的东西向组件地震，这种情况下有最低的峰值加速度值1520加仑（包括乘以系数）。另一方面，Iwate地震和Chuetsu的东西向分量地震震级分别为4140峰值加速度和3350加仑（包括乘法系数）。但是在Noto地震的情况下150 mm的缺陷的效果是不是一样的。150 mm的缺陷产生约20的平均增幅整体残余位移，最大位移和地方出平面位移。使用100mm的缺陷不具备相同的效果150mm缺陷一样。它并没有改变的整体性能结构下的Iwate地震和其他大多数情况下，它减少了整体和局部位移。可能有几个原因这种不同的性能。局部的研究位移模式表明，初始引入的100mm缺陷降低了刚性梁柱节点和从而有助于吸收更多的能量。在无缺陷时，有板的情况下附近的梁柱节点有经验的应力较为集中。但引进100mm的缺陷中删除了这些压力集中的区域，从而导致板近光束柱节点经过多均匀变形。在另一方面，150 mm的缺陷，虽然已消除应力集中区，但造成强度的显著减少。100mm的缺陷肯定减少了部分强度在一定程度上，但其效果是肯定地抑制由应力集中区被去除的优点。三个相同部分的局部变形模式无缺陷的情况下，用100mm的缺陷，并用150mm的缺陷，结果表明，局部故障是由于增加加速缺陷半径为150mm。局部位移的性能也影响到整体该结构的性能。在该结构的顶部的水平位移在受钢的局部破坏板梁柱连接附近。正如我们可以通过看比较图6-9和7-10，他们的位移模式相对于时间是非常相似的。如果Iwate地震从图中可以看出图6 ，增加7和8秒之间发生水平位移。同样增加的局部位移7和8秒之间发生（图9） 。同样的性能可以在情况下，新泻观察Chuetsu地震的图7和10 。若Noto地震的相似处并没有如此明显，但突然在5秒（图11）增加局部位移绝对增加摆动幅度（图8） 。5 结论一个常用的桥门式框架的动力分析是找出缺陷半径对结构的影响效应。该缺陷用于在梁柱连接高架桥桥梁作为对疲劳补救门式刚架框架失效性能。该框架是在三个不同的效果的研究地震载荷，在每种情况下有三个不同类型;一个没有缺陷的梁柱连接和另外两个具有不同缺陷半径。人们发现，存在缺陷也影响结构性能在整体和在局部。特别地，对于本研究中，当缺陷半径大于有100mm，影响更加突出。所以，缺陷的半径需要注意。具体来说，从本文的研究中，以下是需要考虑，而调查结果用取芯（缺陷）方法与疲劳问题处理：100mm的缺陷，对结构性能影响较小。但150mm的缺陷影响整体及局部性能。150 mm的半径的缺陷在不同的情况下会造成约20 至增长50 顶部水平位移。局部位移也以类似的方式影响到整体效应并可以观察到局部位移和整体效应呈正相关。结构体的位移的性能是不同的，这取决于地震载荷的特性。可被用于增加或取缺陷方法的疲劳强度，但缺陷半径应保持下限制高于该截面的强度就会显著的大打折扣。由于结构的局部位移和整体效应被发现相互影响，重要的是必须考虑到钢板的翘曲强度，特别是在箱子薄壁桥墩。在薄壁结构，联合部分喜欢这里的梁柱连接一个容易屈曲失效，由于复杂的应力传递机制和应力集中的发展。但是存在一个比较大的缺陷可以帮助到屈曲失效而不是服务于浓度去除应力，其主要目的trated区。和局部屈曲失效可能导致大整个结构的摇摆，导致结构破坏。所以，本文的结果表明，应特别注意在设计联合部分支付的屈曲强度以及确定所述缺陷（芯）的半径。但去芯方法可以作为在有效的补救去除应力集中区，能够提高疲劳强度只要缺陷的半径保持在极限之下，在这种情况下，这被认为是100mm。因此，缺陷半径在设计此类节点时必须考虑提高疲劳强度。缺陷的这种半径限制可以在不同的情况而有所不同。另外，缺陷半径可能对不同的结构类型有不同的效果，利用加强筋，加厚板的厚度，并且考虑该材料的特性。因此，不同的其他个案应研究与其他常用的框架，并使用不同的特点的地震数据。在本研究中进行动态分析应进行精确地预测该结构的性能。参考文献1Morikawa H， Shimozato T，Miki C，Ichikawa 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