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钢构件的弹塑性分析框架和受循环加载
宇佐美勉，高盛斌，汉斌戈
(名古屋大学，土木工程学系，日本464-8603)
投稿1997年7月18日，刊登于1998年1月9日
摘要：本文件涉及的钢柱和门式框架的循环弹塑性大位移分析。在分析中，修改后的两个表面塑性模型在名古屋大学开发的模型是用来做材料非线性分析。有限元法考虑了钢结构重要的循环特征，即使在高原的产量，如减少和产量高原消失，在弹性范围内减少和循环应变硬化，以及对面的一节传播的可塑性。之间的比较分析和实验结果表明，改进双曲面模型可以用来预测具有良好的弹性准确性钢结构循环行为。根据研究结果参数研究，提出了经验公式预测的强度和韧性的管道型钢桥的能力。(1999年Elsevier科学有限公司保留所有权利。)

关键词：钢压缩单元;门式框架，循环载荷;弹塑性大位移，表面塑性模型;屈曲模态;延性公式
1.介绍
抗震结构，如钢铁钢柱和门式框架桥墩建模设计，是非常合适的城市交通网络，成为1995年Hyogoken后，南武大地震更清晰重要。这些码头的生存都严重依赖于地震的强度和结构的延性。因此，需要精确的方法来预测这些结构.这个循环行为一直是广泛的研究工作的主题，以及各种分析方法已在过去几十年里发展[1-5]。
主要的研究方法一般可分为：（1）经验（现象学）模型[1];（2）塑性铰模型[3];（3）弹塑性有限元模型[5]。虽然前两种模式，可以提供对基本结构，一个关键的缺点，在这些方法中遇上迟滞行为是一个很好的了解整个横截面塑化逐步成员忽视和沿长度，包辛格效应，循环应变硬化在迟滞和残余应力塑性变形，以期在该成员的整体反应产生的重要因素[3]。随着计算机技术，有限元方法的迅速发展，已成为越来越受到欢迎。有限元法考虑几何非线性和材料是一个更精确的模型[5]，它是普遍适用于多种类型的问题，它不仅需要结构的几何形状和材料性质（构法）加以界定。
在很大的程度上，准确性和本构关系合理确定准确的预测循环的结构滞回行为。到现在为止，各种应力应变关系已经被提出，并聘请来分析，如弹性，完全塑性的，结构性的成员，都硬化和应变硬化和包辛格效应三线双线性。据发现，可塑性沿长度和包辛格效应蔓延的原因，在循环荷载作用下进行减负荷能力。为了预测该结构的循环行为更准确的基础上，材料模型提出Dafalias和波波夫[6]和实验观察到的结构钢，修改后的两个表面塑性模型（2SM）已在名古屋大学[7,8]发展循环行为。
该模型可以准确地处理即使在高原的产量，如减少和结构钢循环行为高原的产量消失，包辛格效应和循环应变硬化。该2SM准确性已经被验证的实验数据，并在预测的脚端柱和板循环行为及其有效性的研究人员已经确定[9,10]。结果发现，与其他材料模型，如各向同性硬化模型和运动硬化模型，比较，2SM可以提供一个更准确的实验结果近似。这项研究的目的是申请材料非线性的2SM追查循环弹塑性钢压杆，大位移，如箱，管道或角节钢柱行为，以及H型钢门式刚架节。除门式刚架，所有成员进行了分析，对本地屈曲影响会计。
此外，一个参数进行了研究，调查的实力和管截面柱延性的一些主要参数的影响。结果，经验公式预测的强度和韧性的管道型钢桥墩能力建议。
2．简要回顾改性双曲面模型
在我们着手从两个面模型得到的分析结果的表述，这将是有关在这里简要地回顾了单轴案[关键定义和模型假设7]（见图1）。

图1单轴应力作用ep曲线与塑性应变
2.1塑性模量的计算
塑性模量的计算公式通过使用如Dafalias和波波夫模型相同的表达式如下：

其中的EP05斜坡当前边界线;d五级之间的装载点和边界线（也就是说，在第二图1点的距离），并规定，D是我们永远大于或等于零;喧嚣5的d值在当前加载路径（例如，图1初始屈服状态。）;和H5形状参数和假设是一个线性函数的d如下：

其中，E和F5材料常数。
2.2减少弹性范围内
在弹性范围内减少表示如下：

其中k和K05的弹性范围内现有的和初步的一半，分别为（K0值5学年）;茜亚5屈服应力;格A1，A2，A3与5常量;电子P值5有效塑性应变（EPS）的范围，这是作为有效塑性应变，该材料有否经历过的最大振幅定义。据指出，k值等于茜亚的EP变为零的时候，它作为增加è¯页跌幅
2.3治疗产量高原
在高原的产量结束的判断是在循环行为评价的重要点。单调和循环的实验结果表明，高原失踪的产量取决于一系列的每股收益和塑料的工作。因此，高原终止产量可以判断如下：

2.4运动边界线
在单轴的情况下，边界线的规模，钾，被定义为一个范围的3，功能：

2.5虚拟内存的边界线和线
在虚拟边界线和记忆线的概念，提出了以提高模型的准确性是随机和循环载荷点根本扭转不能达成一致的内存。
2.6边坡边界线
当前边界线的斜率，E0下，被假定为减少与塑料的工作，并表示如下：

3数值分析方法
对于薄壁钢管截面和箱形截面。桥墩受到轴向力和不断循环横向荷载，局部屈曲总是发生在接近在码头基础[11]。因此，梁元素雇用列，而外壳上元素是通过列下部占当地对循环屈曲的影响迟滞行为。在梁元素的情况下，传播的可塑性正在考虑通过截面和沿成员的长度。该元素的类型是受雇于一两个节点的线性开放截面梁元素与混合配方（B31OSH）。增量应力应变关系的结合点，是每一个描述发达国家2SM。在壳元素，案件可塑性传播被认为是通过双方的厚度沿元素的飞机。同样，2SM是雇用的应力应变关系。该用元素类型是一个四节点的双曲面壳体元素（S4R），其中只有一个样本点，但五在假定层的厚度。这两种2种元素占了横向效应剪切变形[12]。关于角列，全员进行建模与壳单元。梁元素来分析门户网站框架结构忽略了局部屈曲的影响。该元素的类型是B31OSH就业，这只是在相同的钢箱梁的分析中使用的和管道桥墩。对于H形路段，7一体化点已分别通过沿网络和每个法兰。发达2SM也来描述应力应变关系每一个结合点。修改后的牛顿迭代法耦合与位移控制方法应用在这个分析。该解决方案的程序的详情，可在ABAQUS的理论手册。位移收敛采用标准的分析和收敛容忍，被定为10-5。
4比较分析和测试
4.1加筋盒节柱
在本节中，受测样本循环分析，如图所示。二是开展与计算结果与实验的。众所周知，发生的局部屈曲会影响票房列全球第屈曲，特别是对大宽厚的比率。为了预测这种循环迟滞行为箱形截面柱更准确，地方屈曲已通过使用壳单元在考虑影响分析。经测试的样本有一列长细比l参数°5的0.26，法兰盘的宽度，厚度射频参数比50.56，加强筋的等效长细作者：左¨比0.63第5条，其中l°，射频，究是和升分别定义为[13]：

表1SS400钢的钢种和SM490双曲面模型参数

图2箱加劲节柱
该分析模型如图2所示较低试样的部分是用壳单元模拟，而上半部分是用梁单元建模因为通常发生局部屈曲附近的基地标本。由于这两个几何对称性并在测试飞机装载，只有一半的沿断面标本进行了分析。对于壳单元的一部分，两者的基础和长度第一隔膜分为12段和随后同样长度分为六个部分沿列的长度。每个小组和加强筋的跨节分为六个部分和3段，分别为。隔膜是仿照与288壳单元。20梁元素通过以模拟试件上部。僵硬的板块具有无穷抗弯刚度是假设在界面梁之间的元素和壳单元。初始几何变形和残余应力没有考虑到。正规化水平荷载，水平/路政署，与侧向位移，Ð/颐，滞回曲线索取实验和分析，2SM如图所示。3。HY和镝的符号表示的屈服荷载和产量位移包括轴向力的作用[4]。在这里，路政署，被定为从下面的小一两个方程。

从图3观察到的整体造型从分析的磁滞现象是好的协议与实验结果。这表明，该2SM制定准确的预测循环行为列。观察到的细小差异实验和分析之间的迟滞曲线是最大强度的预测略有低于该实验，预测后屈曲负载是一个小实验的大于图3。比较受测箱节滞回曲线列。当在D/颐超过4价值。可能的原因在于：（1）屈服应力的焊接材料大大高于钢板，从而导致了强度增加;（2）高原长度产量（欧洲议会ST的板块接近焊缝）可减少因塑料焊接变形，从而导致加列强度;（3）摩擦测试设置可能会导致更高的强度;及（4）2SM可以预测准确的结果只有在应变小于10％。图4显示了屈曲模式比较获得这两个测试和分析。在这里，公共工程研究所指的是公共工程研究所成立在日本。据观察，当地的屈曲模式从2SM分析是类似的测试。该整个法兰面板向内屈曲由于非常低刚度的加强筋。

图4比较受测箱节滞回曲线列
4.2管段列
在上一节，有效性，2SM预测一个钢悬臂式循环行为箱加劲断面柱进行了评价。作者：钢管截面柱分析的实例提出。阿管截面柱分析认为是一标本文献报道由西川等人[11]。该列的d维5891毫米直径，吨59毫米厚度和H5三四○三毫米高度。本专栏是由SS400钢低碳钢与实测平均材料属性如下：5茜亚289.6兆帕：苏5510.0兆帕，电子商务5206全球行动纲领;ñ50.3;预测5E/40;预测514ey。半径，厚度比参数，rt的，为0.11。长细比参数，升°，为0.26。半径，厚度比参数，逆转录，定义如下：

显然，这属于在相对薄壁标本列。因此，局部屈曲效果要考虑到在分析。该适用于尖端固定轴向载荷P被看作0.12Py。阿如在箱形截面柱的类似案件分工采用使有限元网格。为对壳单元，从基长度的一部分，这等于半径，分为15段和长度的3倍，半径分为沿柱长10段。其余试样的组成部分，是仿照10梁单元。在圆周方向分为16个部分。因此，分析模型由100板单元和10个梁单元。连接梁之间的元素和壳单元是一样的，在箱形截面柱的分析。这样网格划分已经确定了审判，错误的方法。
归一的曲线侧向荷载的H/路政署与横向流离失所的D/颐无论从实验和2SM分析，如图5所示结果发现，从分析的滞回圈配合那些图5。比较受测管节滞回曲线列。实验相当不错，无论是在高峰点在后屈曲阶段。屈曲从测试模式，并获得分析显示在图6（a，b）。据观察所得，该分析模型屈曲模式几乎相同的测试标本。一个局部屈曲模式通常被称为大象脚胀的，是预测由2SM。调查的一些主要参数的影响的力量和管截面柱，延性116列共进行了分析。范围主要参数考虑是：采用RT50.031-0.115，升50.25-0.50，和P/Py的50.1-0.3。捷尔思SS400钢是低碳钢承担。所用材料特性茜亚5235.4兆帕;苏5426.1兆帕，电子商务5206全球行动纲领;ñ50.3;预测5E/40;预测510ey。在分析中，所有列装水平位移与一周期的逆转每个位移振幅（即6颐，62dy，...）。管道的截面柱极限强度计算，Hmax/路政署，对绘制的乘法Rt和参数图升。7。它提供的一个方程一个满意的适合于计算最终优势是

图4从屈曲测试和分析中的第列模式：（a）测试（研究所的）;（b）2SM分析

图5比较受测管节滞回曲线柱

图6从屈曲测试和分析管截面柱模式：（a）测试;（b）2SM分析
正如从图6中可以看出不断反应时间，最终随着左降低强度增加。同样，不断升，强度提高由于生殖下降。对钢铁和部分钢管混凝土箱型柱，葛和宇佐美[15]用了两个延性的因素，管理部/Dy和d95/dy，评估延性能力。在这里，DM是对应的位移最大水平荷载。和d95是在点位移其中强度极限强度的95％后图。7。优势的管段列。高峰负荷。虽然延性系数，管理部/颐，是身体显然，在循环荷载作用没有得到充分的特点注册成立。因此，它似乎更合理使用后者的定义，以评估可延展性准确地占了循环荷载的影响[15]。/Dy和d95/dy计算值绘制对反应时间，升°和综合因素/或者P/Py的图8（a，b），下面的两个方程找到适合的离散数据非常好。

图7优势的管段列

图8延性管道截面柱

图9角栏：（a）角列素描;（b）横截面。
4.3角列
一个角度视为一列列简支偏心载荷进行了分析和宇佐美加兰博什[17]。进行分析单调载入中。在本节中，同样的角度列，如图所示。9，同时根据单调分析和循环利用材料非线性负荷的2SM。的角度列编号的A-2-8是仿照与壳单元。最终的条件是假定为根本支持在两端。横截面的角50.8毫米350.8毫米36.5毫米。该材料是采用美国ASTMA242钢的屈服应力5茜亚351MPa和杨氏模量E52.033105兆帕。角度分为六个壳单元在两个网站和横截面法兰盘，而且人数沿柱长为30师。由于两个对称载荷和边界条件，只沿长度方向一半是通过列。残余应力如文献显示[17]的就业，但这个初始挠度不考虑。图10（a，b）所示的轴向载荷的分析结果（P）的年之间跨中位移（微升/2）和轴向位移（d）在装货点，分别为。该单调的测试结果绘制的三角形标志，也是鉴于图10（a）。在这里，应该指出的是，压缩负荷的定义是积极的。从图10（a）据观察，目前的结果与一致测试结果相当不错。承载能力跌幅与轴向压缩位移增加由于发生严重的局部屈曲（见图10（b）项）。然而，在紧张的一面，它是结果表明，承载能力提高为轴向位移的增加主要是由于循环效应应变硬化。
4.4门式刚架
在本条中，一门式刚架的校准[18,19]是分析结果进行了比较实验结果以及分析结果得出从若林等人的塑性区模型[18]。接受测试的门户框架图所示。11日就建立起来了由热轧H型钢焊接成员。每个标本为支持在外的飞机在横向方向四沿梁在中点平等分列由一个铰链装置，可旋转的平面框架，但固定外的飞机。面板随着向柱连接加劲梁区是与横向和对角线板，以防止剪切屈曲。这样，成员一道弯曲与轴向力控制了框架极限强度。他们是参照了膝盖形框架结构因为它的垂直载荷的情况下反对称装货（指定作为案例1在下面的部分）并与垂直负荷由于其全球结构非对称加载（如例2指定），分别。对于后者，垂直载荷应用是P/Py的50.52。这两个表中所列框架材料特性2。据悉，日本JISSS400钢低碳钢为所有使用成员。在分析中，梁和柱分为50个和26个元素的长度分别。初始几何变形和残余应力不考虑。在聘用的假设分析是：（1）向列梁连接的在实验中被假定为加筋矩形section元素与大三倍弯曲刚度比列。在塑性区分析[18]，加劲区被定为一个僵化具有无穷抗弯刚度机构;（2）门诊的平面所有节点挠度限制，以防止横向屈曲;（3）翘曲变形阻止约束;及（4）不考虑局部屈曲。
该案例一门式刚架是受到一个循环侧向位移在垂直载荷的情况下。北纬-eral荷载横向位移曲线图12所示纵坐标是无量纲的水平挤载荷（HPC）的。这崩溃负荷，它代表负载的理论机制，包括影响轴向力对塑料时刻是在基础的能力假设完美的可塑性。横坐标是无量纲由多层高（H）。图12显示的是，滞后的整体形状该2SM循环是符合协议的，良好的实验。在小变形范围内，最大侧向荷载和斜坡的预测2SM是略高于实验高。该可能的原因是：
（a）大量弯曲最初引起的时刻是在成员因为它是在试验台上设置样本，这将导致早期高产和刚度下降在早期阶段的水平荷载;
（b）试样的初始几何变形和残余应力，但他们没有考虑到在分析。
从图12（c）观察到的分析结果采用塑性区模型也接近测试的结果。然而，塑性区模型不能准确地预测测试由于其磁滞回线在简化。图13显示了与横向水平荷载位移曲线的案件门式刚架是受到以横向位移周期以恒定垂直负载。可以看出，预测结果的分析由2SM符合实验结果非常好。该之间差异的分析与实验上半年周期诱导的结果是相同的原因是，在案件一解释。承载能力的改善，与循环步骤的增加。可能的原因是由于增加的剩余局部放电的侧向力方向的时刻扭转循环应变硬化的作用。相对于结果预测的塑性区模型，可以2SM重复实验结果更加准确地滞回曲线平稳。关于塑性区模型，一个关键的缺点在于，硬化这一时刻，曲率关系坡度假定为无垂直负荷情况下0.01和0.02的垂直负荷情况。不同使用硬化率不能合理解释。关于相反，对于2SM，相同的应变硬化光绪图。13。与横向的位移曲线（横向载荷的情况比较二：对Py的50.52）：（a）实验（b）2SM;（c）塑料带。terion不论是采用垂直的存在负载。无论是在图13实验和分析结果表明，水平恢复力是减少垂直负载。在垂直荷载存在诱导在一个大框架的不稳定影响，表明极限负荷恢复水平的重要性。
5结论
本文件所涉及的循环弹塑性钢结构大位移分析如箱，列管和角度，以及H型钢门户框架。在名古屋大学研制的2SM是用来模拟材料非线性。除门户框架，所有成员都采取分析考虑到影响当地失稳。所提出的循环滞回曲线进行了比较实验的结果。主要结论可得出如下：
1预测钢材压缩滞回曲线成员使用2SM匹配试验结果相当不错，这表明，2SM是在预测模型中的物质循环满意钢结构滞回性能;
2预测屈曲钢箱截面和模式管节列几乎与那些同实验;我的参数研究，发现这两个极限强度和管截面柱的延性改善。此外，可在配方中使用的强度预测和管型钢桥延性能力码头有建议;及实验和分析结果，将门式框架表明，水平恢复力减少了竖向荷载。一个大型的存在垂直荷载引起重大的不稳定影响在框架结构。
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