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本文總結(jié)研究了矩形鋼管混凝土（RCFT）構(gòu)件，結(jié)點(diǎn)和框架的損傷演化,詳細(xì)記載了來(lái)自世界各地的實(shí)驗(yàn)測(cè)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。基于這個(gè)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(jì)的方法。記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可用于開(kāi)發(fā)一種分析模型來(lái)模擬矩形鋼管混凝土梁柱評(píng)估矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在抗震上的需求和能力。混合光纖為基礎(chǔ)的有限元配方的開(kāi)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(shí)驗(yàn)取得良好的相關(guān)性。 1、簡(jiǎn)介 在1994年日本阪神及1995年日本神戶地震中，性能化設(shè)計(jì)指南在鋼與混凝土結(jié)構(gòu)中已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步發(fā)展 (航管1996年;聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局2000年)。通過(guò)引入性能化設(shè)計(jì)(PBD)，工程師們能設(shè)計(jì)出更可靠、更經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)這一鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的目標(biāo)，幾個(gè)研究已經(jīng)展開(kāi)PBD復(fù)合構(gòu)件和鋼架（例如：Mehanny and Deierlein 2000；Morino 等人. 2001；Muhummud 2003；Tort and Hajjar 2003，2004）。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(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性，矩形鋼管混凝土(RCFT)在復(fù)合結(jié)構(gòu)中越來(lái)越受歡迎。本文研究了全球矩形鋼管混凝土構(gòu)件損失評(píng)估測(cè)試結(jié)果。損傷評(píng)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(gè)解析模型來(lái)模擬矩形鋼管混凝土構(gòu)件用于評(píng)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(jì)方法的第一個(gè)步驟。 2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù) 性能化設(shè)計(jì)需要評(píng)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(lái)自世界各地的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供必要的信息來(lái)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。 總共有六個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，包括矩形鋼管混凝土柱，梁柱，面板，連接，結(jié)點(diǎn)彎矩抵抗和框架數(shù)據(jù)庫(kù)。加載包括一次加載和循環(huán)加載試驗(yàn)，使用只在文獻(xiàn)記載的測(cè)試方法。大量的試件數(shù)據(jù)集中在梁柱庫(kù)，而少量的試件聚集在其他數(shù)據(jù)庫(kù)：按照六個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的排序，一次加載的試驗(yàn)數(shù)分別為109，202，38，2，9，4；循環(huán)加載的試驗(yàn)數(shù)分別為3，59，0，39，0，8。每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)包括的信息有試驗(yàn)儀器、材料特性（如：鋼鐵屈服強(qiáng)度f(wàn)y，鋼鐵彈性模量Es，混凝土抗壓強(qiáng)度），幾何特性（如：高度D，厚度t），和試驗(yàn)結(jié)果。描述了試驗(yàn)試件的加載方案和邊界條件。材料特性和幾何特性的代號(hào)和測(cè)量結(jié)果記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中。對(duì)于試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，試件的荷載和變形能力會(huì)被存儲(chǔ)。還有，破壞模型和局部破壞狀態(tài)也包括在內(nèi)，此時(shí)的荷載和變形值也記錄在內(nèi)。 3、損傷評(píng)估 在PBD 中，每個(gè)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(yǔ)描述工程類的強(qiáng)度、變形、剛度（Krawinkler 1998）。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(shí)強(qiáng)度和變形值都在變化中。試件的損傷評(píng)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。 基于變形損傷能力（）是局部破壞處的變形（）與最大荷載作用下的撓度（）的比值（在特殊的荷載和不同類型試驗(yàn)的撓度），如方程1所示： （1） 基于能量損傷能力（）是局部破壞處的能量吸收（）與整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中總能量的吸收（）的比值，如方程2所示： （2） 在荷載-撓度曲線上的試驗(yàn)終止點(diǎn)是由基于試件反饋?lái)憫?yīng)的特點(diǎn)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?lái)憫?yīng)，那么在試件剛度變?yōu)榱銜r(shí)表明了試驗(yàn)的失敗。一個(gè)彈塑性的荷載-撓度曲線響應(yīng)在RCFT試驗(yàn)中是常見(jiàn)的。在這樣的情況下，試驗(yàn)的終止取決于梁柱、結(jié)點(diǎn)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(yàn)終止點(diǎn)即為試驗(yàn)的結(jié)束點(diǎn)。 方程1和方程2是在單一荷載作用下的試件的計(jì)算數(shù)據(jù)。然而，在循環(huán)荷載作用下的破壞評(píng)價(jià)可采用基于能量的破壞作用，如下：（Kradzig 等人. 1989） 式中表示正方向上的荷載中間變量；表示負(fù)方向上的荷載中間變量；表示在主正方向圓上的能量耗散；表示在主負(fù)方向圓上的能量耗散；表示在次正方向圓上的能量耗散；表示在次負(fù)方向圓上的能量耗散；是正常作用下的正撓度；是正常作用下的負(fù)撓度（具體參見(jiàn)圖一所示的主次圓【Kradzig 等人. 1989；Tort 和 Hajjar 2003，2004】）。對(duì)于RCFT構(gòu)件，我們假定主圓造成試件上的主要破壞，而次圓造成次要破壞。另外，由于RCFT構(gòu)件的對(duì)稱性，破壞函數(shù)值（破壞指數(shù)）在兩個(gè)方向的荷載也是假定一樣的。這些假定來(lái)源于基于能量損傷的循環(huán)荷載試件的簡(jiǎn)單化，如方程4 式中，是從循環(huán)主要曲線到以上假定的破壞點(diǎn)處的面積；是完整主要曲線下的面積；的計(jì)算來(lái)源于最大荷載作用下的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)?；诖祟愒囼?yàn)，假定為計(jì)算假定或由試件主曲線的經(jīng)驗(yàn)公式所得（Hajjar 和Gourley 1997；Tort 和Hajjar 2003）。 破壞方程1，2和4可用于數(shù)據(jù)庫(kù)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：，fy，），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(lái)源于計(jì)算RCFT構(gòu)件有效延性，以及與試驗(yàn)的回歸性分析水平有關(guān)。作為一個(gè)試樣，方程5是計(jì)算兩端固定等截面梁柱試件在軸向常壓力和兩個(gè)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(qiáng)度；P0是復(fù)合區(qū)域的名義強(qiáng)度?？傊@三種類型的破壞評(píng)估功能可以提供有力的RCFT結(jié)構(gòu)的局部破壞特點(diǎn)的PBD。 簡(jiǎn)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(píng)估。（Tort和Hajjar 2003）提供的RCFT構(gòu)件的損傷評(píng)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(píng)估測(cè)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(huì)被討論。最初常見(jiàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中確定混凝土裂縫和混凝土破碎點(diǎn)。例如，我們提出了方程6 來(lái)估計(jì)d基于變形的翼緣拉曲時(shí)的損傷指數(shù)。損傷指標(biāo)的參數(shù)與軸向載荷比值（）和鋼管的荷載比例（）。 式中，是翼緣拉曲服點(diǎn)處的位移；是剛管的名義強(qiáng)度?；谀芰康暮瘮?shù)，，也可同樣得出；在圖2中，變量與參量的關(guān)聯(lián)表明混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)增加的貢獻(xiàn)（如：提高等效為的降低），核心混凝土承擔(dān)了較多的荷載。因此，翼緣拉曲將會(huì)推遲而增加。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值變大中證實(shí)。試件的延性得到發(fā)揮，顯示了穩(wěn)定的響應(yīng)和辨別RCFT梁柱的強(qiáng)度儲(chǔ)備，從而得到損傷指數(shù)。同樣的方程來(lái)計(jì)算損傷指數(shù)被提議為保留梁柱在單一荷載作用下的局部損傷水平。基于變形和能量損傷指數(shù)的方程可以參見(jiàn)表1（Tort和Hajjar 2003，2004），隨著他們的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)和基于試驗(yàn)結(jié)果適用性上的局限性。 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(gè)參數(shù)研究也可以幫助比較不同地方的相對(duì)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(gè)樣本的損傷指數(shù)可以求出并能畫(huà)同一圖中。這些都是基于變形和能量的函數(shù)。 例如，對(duì)于單一荷載作用的RCFT梁柱，16個(gè)樣本可以確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，，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)鋼管腹板局部屈曲的損傷水平遵循加載時(shí)序。另一方面，鋼管翼緣的拉曲或壓曲是最早發(fā)生的損傷。從圖3中顯示試件的延性嚴(yán)重受到翼緣局部壓曲和拉曲的影響。基于圖3中損傷指數(shù)的變化，包括局部破壞到整體破壞。例如，鋼管腹板的的局部屈曲的損傷指數(shù)在0.3到0.45之間，即為安全水平（Mehanny和Deierlein，2000）。 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(lái)可以解決RCFT鋼架的需求和能力評(píng)估的性能化設(shè)計(jì)。用三維瞬態(tài)動(dòng)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(cè)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?jiǎng)偠染仃噥?lái)源于擴(kuò)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(kāi)使得鋼管和核心混凝土滑移。這導(dǎo)致了18個(gè)自由度梁柱單元,具有獨(dú)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(dòng)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(gè)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(zhǎng)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(guò)程狀態(tài)（Alemdar 2001；Nukala和White 2004）。在公式中，單元的位移和力場(chǎng)是獨(dú)立采用的；作用獨(dú)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(zhǎng)度單元的曲率（Alemdar 2001）。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(wèn)題。回復(fù)力的計(jì)算包括兩個(gè)反復(fù)的牛頓迭代運(yùn)算。在反復(fù)運(yùn)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，是單獨(dú)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)）；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)）；非主協(xié)調(diào)應(yīng)變，方向是面C2到面C1；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；是假定應(yīng)力引起的非主應(yīng)變，方向是面C2到面C1；是結(jié)點(diǎn)的位移向量，方向是面C2到面C1；是結(jié)點(diǎn)荷載向量，方向是面C2到面C1。非彈性材料采用鋼管和核心混凝土的單軸循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型?；炷敛牧夏Ｐ蛠?lái)源于Chang和Mander（1994），鋼筋材料的模型來(lái)源于Mizuno 等人（1992），作出如下修改。 4.1．混凝土本構(gòu)方程 混凝土的循環(huán)反應(yīng)通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變的多項(xiàng)式方程模擬。在單軸壓縮試驗(yàn)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Mander 1994）：包絡(luò)曲線，卸載曲線和再加載曲線（Sinha 等人 1964；Karsan和Jirsa 1969）。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。混凝土的卸載曲線通常是非線性的凹曲線，從開(kāi)始時(shí)剛度較大到達(dá)到應(yīng)力水平時(shí)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(diǎn)。 混凝土的壓縮包絡(luò)曲線是從非線性的上升直到混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度保持為常值。在RCFT柱的軸壓力作用的試驗(yàn)中，許多研究人員（如：Furlong 1967；Inai和Sakino 1996）贊同在最大應(yīng)力到來(lái)之前，鋼管和核心混凝土各自獨(dú)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(lái)模擬混凝土的前鋒響應(yīng)。素混凝土的強(qiáng)度假定受到限制Hajjar er al 1998）?；炷恋暮蠓屙憫?yīng)描述為混凝土強(qiáng)度的降低的斜率（Kc）和混凝土在大應(yīng)變時(shí)的殘余強(qiáng)度（）?；赟akino和Yuping（1994）及Varma（2000）的RCFT柱的軸向荷載作用試驗(yàn)的分析研究，方程9和方程10可以求出Kc和。Kc和的的值分別為0.73和0.68： 其中， 卸載曲線和再加載曲線保持同樣的趨勢(shì)（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(shì)直到達(dá)到抗拉強(qiáng)度，隨后是下降區(qū)。Chang和Mander（1994）推薦使用這個(gè)方程（Tsai 1988）來(lái)模擬混凝土的抗拉反應(yīng)；這個(gè)方程已在本文中引用。 4.2 鋼材構(gòu)成 單軸邊界面模型（Mizuno at el 1992）是實(shí)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(dá)到極限值的模擬試驗(yàn)觀察。在荷載表面層存在著彈塑性物質(zhì)。Mizuno at el（1992）提出它們的基于熱軋部分的邊界面模型試驗(yàn)結(jié)果。然而，冷軋部分由不同于熱軋部分的顯著特點(diǎn)，如無(wú)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(qiáng)度。如果鋼管的局部屈曲發(fā)生，那么線性強(qiáng)度就會(huì)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(shí)也保持為一個(gè)常應(yīng)力值（fm）?；谳S向荷載作用的RCFT試驗(yàn)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Hajjar 2003）。方程11中的的值為0.61： 鋼管在局部屈曲后的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)描述為強(qiáng)度的下降斜率（Kc）和在高應(yīng)變下的殘余應(yīng)力（）。參量Kc和確定了校準(zhǔn)研究RCFT柱軸向加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。在校正的研究中，選擇的試件的抗壓強(qiáng)度接近材料強(qiáng)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和不斷變化直到計(jì)算和試驗(yàn)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。方程12和方程13中的值分別為0.85和0.64。 恢復(fù)力的反復(fù)計(jì)算和材料模型采用通用的有限元程序（Hajjar 等人 1998），并對(duì)全球的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。例如，（Bridge，1976；Shakir-Khalil和Zeghiche，1989；Cederwall 等人 ，199）的RCFT梁柱的偏心試驗(yàn)也采用此法；試驗(yàn)結(jié)果的精確性分析可查看圖4（試件1，1*，2，7，10和13分別有如下數(shù)據(jù)：（）的值分別為24，20，24，24，15，15；（）的值分別為27，10，23，23，27，27；為6.8，4.3，5.8，6.4，5.6，11.6ksi；為44，42，56，52，55，53ksi。對(duì)RCFT試件在一般荷載作用下的試驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證研究將和循環(huán)加載一樣進(jìn)行。 5. 總結(jié)和結(jié)論 本文研究了損傷評(píng)估RCFT構(gòu)件的性能化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。從文獻(xiàn)中收集的實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)庫(kù)和損傷演化的試件數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)破壞作用研究?；趽p傷指數(shù)的范圍是從局部破壞中得到的，試驗(yàn)過(guò)程中的局部損傷的各種狀態(tài)被記錄在不同的表現(xiàn)水平。收集在數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也被用來(lái)創(chuàng)建一個(gè)分析模式用來(lái)在需求和能力上評(píng)估RCFT框架?；谶@個(gè)研究觀察,有以下結(jié)論： 1. 在本文中采用變形和能量方法提供了有效地和全面的方法來(lái)評(píng)價(jià)RCFT構(gòu)件和連接。 2. RCFT梁柱的局部破壞水平表現(xiàn)出了明顯的交互影響，從而可以用來(lái)解決鋼管和核心混凝土的復(fù)合作用。在損傷方程中，RCFT梁柱的復(fù)合作用采用了無(wú)量綱的參量（如：，，）展現(xiàn)了鋼管和核心混凝土的交互影響水平。 3. 在RCFT梁柱試驗(yàn)中觀察到的損傷水平包括翼緣的壓曲和拉曲，翼緣和腹板的局部屈曲，以及其他損傷狀態(tài)都在直接占用和生命安全狀態(tài)。 4. 有效的和精確的分析模型研究RCFT鋼架的極限和評(píng)估將作為未來(lái)的研究作進(jìn)一步的研究。