钢板剪力墙中英文对照外文翻译文献.docx

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钢板剪力墙中英文对照外文翻译文献

钢板剪力墙中英文对照外文翻译文献

（文档含英文原文和中文翻译）

钢板剪力墙中间水平边界单元的容量设计

摘要

容量设计原则要求韧性形变,2005AISC和2001CSA抗震设计规范要求：

除了在填充板完全产生地震载荷作用下的情况下产生塑性铰，中间水平边界元素钢板剪力墙设计基本上应保持弹性。

然而,在对全面的两层SPSW测试期间出现的意想不到的失败观察指出当前设计方法并不一定达到中间HBE预期的性能。

本文分析模型估算HBEs可靠地达到设计能力。

这些模型可以与中间HBE线性梁模型塑性机制假定相结合,并能够防止出现塑料铰。

使用该模型预测设计应力可与非线性有限元分析的结果相比较。

可以观测出良好的结果。

最后,该模型也被用来解释观察到的中间HBE过早失效。

CE数据库主题标题：

剪力墙;钢板;地震工程;抗震设计。

关键词：

剪力墙;钢板;容量;设计;地震工程;抗震设计。

介绍

钢板剪力墙（SPSW）包含了非加强的加密钢面板，它由被称为垂直边界元素的柱子和被称为水平边界元素（HBE）的梁所包围。

这些面板可以扣在剪切和随后形成对角张力领域抵抗侧向力。

过去在美国,加拿大,日本,台湾,和其他国家的实验研究表明,SPSW可以表现出较高的初始刚度并以延性的方式表现,并且使大量的滞回能量消散。

对于新建筑的设计以及对现有建筑的改造而言它成为一个可行的选择。

分析研究SPSWs也验证了有用的模型设计和分析。

最近有关SPSWs的设计规范由加拿大标准协会提供钢结构极限状态设计，同时由美国钢结构协会提供钢结构建筑抗震规定。

创新的SPSW设计也被提出并由实验验证从而扩大SPSWs的适用性。

然而可能限制这种结构体系被广泛接受的一些障碍仍然存在。

特别是,仍有不确定性的抗震性能中间水平边界元素，尤其对于那些具有较少梁的连接形式。

例如,意想不到的破坏发生在SPSW全部两层的中间水平边界元素。

这表明当前设计方法可能会导致中间水平边界元素无法满足延性需求。

值得注意的是,中间水平边界元素加密板上方和下方的相反方向的锚固面板只有一侧。

简单模型使用线元素边界框架不能产生令人满意的HBE设计结果。

由于内在的塑料铰链HBE建模的复杂性，因此无法解释上述观察到中级SPSW的HBE的过早失效。

非线性有限元有限元分析使用三维壳元素可用于提供更准确的估计设计结构HBEs，但是过于繁琐和广泛的使用这个简单的设计方法了。

因此,有必要开发一个更合理准确和更有效的方法来为HBEs设计荷载。

以上方法是文中所提到的。

应注意,由于空间的限制,一般情况下RBS与HBEs相连接。

但等效程序HBEs没有与RBS联系。

在这里,基于预期的塑形机理和叠加原理,对于中间的轴向和剪切力HBE应该使用力图分析。

塑性铰在HBE中应该避免。

简单的力图提出了确定在时刻VBE的图像。

最后验证上述分析模型使用非线性有限元分析,在容量设计过程应考虑塑形铰链的强度受双轴和剪切应力条件的影响。

最后,测试SPSW的水平边界单元应使用该模型用来检查，从而解释观察到的无法预期的失败。

预期机制与填充板屈服力

对多层SPSWs的理想塑性结构施加横向荷载，使每一层的均匀填充板屈服。

它为滞后能量在整个建筑高度的分布提供了可能。

（与软弱层的塑性机制不同，在VBEs中塑性铰出现在一个单独的层）为了多层SPSW出现令人满意的预期机制，对于沿着VBEs和HBEs的填充板所施加的荷载产生的屈服力，在第i层为：

这些都是通过分解填充板屈服应力得到的，出现在从垂直到水平的一个角度，垂直分量沿VBEs和HBE作用。

每单位长度屈服力的这些组分包括填充板厚度的函数，填充板的屈服强度，以及填充板的设计屈服应力与名义屈服应力的比值。

HBE的轴向力

用于估计中间HBE的轴向力的分析模型已经开发了如图2所示的子系统。

将公式5、11、12相结合，使用-和+分别表示压缩和拉伸，3通过轴向作用预测所得到的下列方程，是中间HBE在任意位置的轴向力方程。

容量设计方法

基于本文制定的分析模式，承载力计算的程序在SPSWs中对于中间HBEs用RBS进行连接。

它不同于目前的设计，首先它考虑减少HBE的塑性力矩强度，考虑HBE的轴向载荷、剪切力的存在，与垂直应力;其次能够捕获的事实，即垂直拉力场的所得到的分量不等于通过HBE的每一端的反力;最后它发现了HBE中塑性铰位置的变化。

具有RBS连接的中间HBE容量设计的过程显示于图17，本过程的设计的步骤概述如下。

步骤1：

通过公式14计算填充板的屈服力。

步骤2；假设一个中间HBE横截面。

步骤3：

通过公式13确定HBE的轴向力。

步骤4:

使用Qu和Bruneau2008年提出的程序确定网络垂直应力。

步骤5：

选择符合规范标准的几何形状，这一形状应减少突出。

例如使用FEMA350规范。

步骤6：

根据图16，通过公式35和公式36确定塑性铰的塑性截面模量和位置。

步骤7：

假设设计过程的初始迭代使塑性铰的塑性力矩减少。

步骤8：

通过公式18确定塑性铰的剪切力。

步骤9:

基于Qu和Bruneau2008年提出的方法计算在塑性铰塑性降低时的力矩。

如果所计算出的因素足够接近步骤7中的假定，则继续进行设计。

否则，返回步骤7修改假定的塑性减少时的力矩。

步骤10：

通过公式20计算HBE中最大力矩的位置。

如果得到的结果是否定的，这意味着最大弯矩超出量程，则转到步骤11。

否则，计算在最大弯矩位置处塑性减少的因素，并检查公式26。

如果满足公式26，则继续设计。

否则，返回到第2步并修改假定的HBE横截面。

步骤11：

通过公式18计算表面剪力。

步骤12：

确定HBE表面塑性力矩减少的因素。

步骤13：

通过公式33和公式34计算HBE表面的抗弯强度。

步骤14：

通过公式31和公式32计算HBE表面的弯矩设计值。

步骤15：

比较从步骤13和14所得出的实际强度和设计值。

如果实际强度比设计值大，完成设计。

否则，返回到第2步并修改假设HBE横截面。

应当注意的是，力图中没有考虑重力载荷，因为在SPSWs中它们通常是相对较小的。

然而，如果需要的话，可以通过考虑将使填充板屈服的垂直力分量施加到中间HBE上。

此外，在本文中在推导中忽略了应变强化，例如在验证FE时的钢被假定具有的优越弹塑性本构关系。

但是，为了实现容量设计，当通过FEM350的规定考虑应变强化时，应该纳入对于RBS塑性铰的强度判定。

本文尚未包括在内的另一个考虑是沿HBE的鱼型板的影响，其用于连接填充板。

然而这种影响是可以忽略不计的（QuandBruneau2008）。

此外锚固的HBEs，作为中间HBEs的一种特殊情况，也可以通过所提出的程序分析，并将其视为作用在拉力场的一面。

对本测试中的中间HBE进行裂缝检查

在二层SPSW的测试过程中，使用RBS连接的中间的HBE，在其底部凸缘两端出现完整的断裂，但没有在梁翼缘地区出现断裂。

尽管许多因素可能导致中间HBE的意外的损坏，对于VBE表面的抗弯强度不足是一个值得研究的因素。

初步评估可以通过将设计时的要求与VBE表面的可用抗弯强度比较得出。

基于在图17中所示的中间的HBE设计过程，得到和表4所示的弯曲的要求和原始的HBE的强度。

在这里为简单起见，材料应变硬化，复合板，与配套板桁架的影响被忽略了。

请注意，这些效应导致在VBE表面出现更高的塑性铰，并且需要的设计要求。

出于比较的目的，该设计与重新设计的中间的HBE的强度也在表4中提供。

，如前面所述，重新设计的HBE是W24*76构件。

如表4所示在合适VBE面上，原始的HBE的抗弯强度比需求要小。

这可以解释在测试过程中观察到的意外故障。

相比较而言，虽然存在更高的要求，重新设计的HBE的优势是比要求的强度更高，这意味着不可能观察到过早的失效。

结果

本文所提出的分析模型来估计具有RBS连接的HBE的设计应力，这一模型基于所述塑性机制和简单力图。

这一设计方法可以实现容量设计。

此过程可以防止在跨HBE的部分出现塑性铰，同时确保每一时刻都有足够VBE。

有限元分析被用来验证所提出的方法。

使用本文所提出的知识和方法，对在测试SPSW的中间HBE的行为进行了检查，并对观察到的屈服模式和过早断裂进行了解释。

CapacityDesignofIntermediateHorizontalBoundaryElementsofSteelPlateShearWalls

BingQu,M.ASCE1;andMichelBruneau,M.ASCE2

Abstract:

Consistentwithcapacitydesignprinciplesandrequirementsofductilebehavior,the2005AISCand2001CSAseismicdesigncodesrequirethattheintermediatehorizontalboundaryelementsHBEsofsteelplateshearwallsSPSWsbedesignedtoremainessentiallyelasticwiththeexceptionofplastichingesattheirendswhentheinfillplatesfullyyieldunderseismicloading.However,theunexpectedfailureobservedduringthetestsonafull-scaletwo-storySPSWsuggestedthatthecurrentdesignapproachdoesnotnecessarilyleadtoanintermediateHBEwiththeexpectedperformance.ThispaperpresentsanalyticalmodelsforestimatingthedesignforcesforintermediateHBEstoreliablyachievecapacitydesign.ThosemodelscombinetheassumedplasticmechanismwithalinearbeammodelofintermediateHBEconsideringfullyyieldedinfillpanelsandareabletopreventin-spanplastichinges.Designforcespredictedusingtheproposedmodelsarecomparedwiththosefromnonlinearfiniteelementanalysis.Goodagreementisobserved.Finally,theproposedmodelsarealsousedtoexplaintheobservedprematurefailureofintermediateHBE.

DOI:

10.1061/ASCEST.1943-541X.0000167

CEDatabasesubjectheadings:

Shearwalls;Steelplates;Earthquakeengineering;Seismicdesign.

Authorkeywords:

Shearwalls;Steelplates;Capacity;Design;Earthquakeengineering;Seismicdesign.

Introduction

AsteelplateshearwallSPSWconsistsofunstiffenedinfillsteelpanelssurroundedbycolumns,calledverticalboundaryelementsVBEs,andbeams,calledhorizontalboundaryelementsHBEs.Thesepanelsareallowedtobuckleinshearandsubsequentlyformdiagonaltensionfieldstoresistlateralforces.PastexperimentalstudiesintheUnitedStates,Canada,Japan,Taiwan,andothercountrieshaveshownthatSPSWcanexhibithighinitialstiffness,behaveinaductilemanner,anddissipatesignificantamountsofhystereticenergy,whichmakeitaviableoptionforthedesignofnewbuildingsaswellasfortheretrofitofexistingconstructionsalistofpastimplementationsandliteraturereviewsisavailableinSabelliandBruneau2007.AnalyticalresearchonSPSWshasalsovalidatedusefulmodelsforthedesignandanalysisofthissystemThorburnetal.1983;Elgaalyetal.1993;Driveretal.1997;BermanandBruneau2003b.RecentdesignproceduresforSPSWsareprovidedbytheCSALimitStatesDesignofSteelStructuresCanadianStandardsAssociationCSA2001andtheAISCSeismicProvisionsforStructuralSteelBuildingsAmericanInstituteofSteelConstructionAISC2005.InnovativeSPSWdesignshavealsobeenproposedandexperimentallyvalidatedtoexpandtherangeofapplicabilityofSPSWsBermanandBruneau2003a,b,2008;VianandBruneau2005.

However,someimpedimentsstillexistthatmaylimitthewidespreadacceptanceofthisstructuralsystem.Inparticular,thereremainuncertaintiesregardingtheseismicbehaviorofintermediateHBEparticularlyforthosehavingreducedbeamsectionRBSconnections.Forexample,unexpectedfailureshaveoccurredintheintermediateHBEofafull-scaletwo-storySPSWexperimentallyinvestigatedbyQuetal.2008,whichindicatesthatcurrentdesignapproachesdonotnecessarilyleadtoHBEsthatmeettherequirementsofductilebehavior.NotethatintermediateHBEsarethosehavinginfillpanelsaboveandbelowbyoppositiontoanchorHBEsthathavepanelsonlyononeside.

Simplemodelsusinglineelementsforboundaryframememberse.g.,modelsconventionallyusedinSAP2000arenotcapableofproducingsatisfactoryresultsofHBEdesignforcesduetotheintrinsiccomplexityinmodelingthestrengthofplastichingesinHBEandconsequentlyfailtoexplaintheaforementionedobservedprematurefailureinintermediateHBEoftheSPSW.NonlinearfiniteelementFEanalysisusingthree-dimensionalshellelementscanbeusedtoprovidemoreaccurateestimatesofdesignforcesforHBEsbutistootediousforbroaduseforthissimpledesignpurpose.Therefore,thereisaneedtodevelopareasonablyaccurateandmoreefficientmethodtoestimatethedesignloadsforHBEs.

Suchanapproachisdevelopedandproposedinthispaper.Notethatduetospaceconstraintshere,thispaperfocusesonthegeneralcaseofHBEswithRBSconnections.EquivalentproceduresforHBEswithoutRBSconnectionsi.e.,aspecialcaseofthegeneralformulationpresentedherearepresentedbyQuandBruneau2008.Here,basedontheexpectedplasticmechanismandtheprincipleofsuperposition,theaxialandshearforcesinintermediateHBEaredeterminedusingfree-bodydiagrams.Waystoavoidin-spanplastichingeinHBEareaddressed.Simplefree-bodydiagramsareproposedtodeterminethemomentdemandsatVBEfaces.FollowingverificationsoftheaboveanalyticalmodelsusingnonlinearFEanalysis,capacitydesignprocedurestakingintoconsiderationthestrengthofplastichingessubjectedtobiaxialandshearstressconditionsareproposed.Finally,theintermediateHBEofthetestedSPSWisexaminedusingtheproposedmodelstoexplaintheunexpectedfailureobserved.

ExpectedMechanismandInfillPanelYieldForces

ThedesirableplasticmechanismofmultistorySPSWssubjectedtolateralloadsBermanandBruneau2003binvolvesuniformyieldingoftheinfillpanelsovereverystoryFig.1.Itprovidesforpossibledistributedhystereticenergyovertheentirebuildingheightasopposedtoasoft-storyplasticmechanisminwhichplastichingesforminVBEsatasinglestory.ForamultistorySPSWthatsatisfactorilydevelopstheexpectedmechanism,thedistributedloadsappliedalongtheVBEsxciandyciandHBEsxbiandybifrominfillpanelyieldingattheithstoryare

Theseareobtainedbyresolvingtheinfillpanelyieldforces,occurringatananglefromtheverticalintohorizontalandverticalcomponentsactingalongtheVBEsandHBEs.Suchcomponentsofyieldforcesperunitlengthsareafunctionofinfillpanelthickness,twi,yieldstrengthofinfillpanels,fyp,andtheratioofexpectedtonominalyieldstressofinfillpanels,（RypBermanandBruneau2008）.

ResultingAxialForceinHBETheanalyticalmodelstoestimateaxialforcesinintermediateHBEhavebeendevelopedforeachsubsystemshowninFig.2.TheseaxialeffectspredictedusingEqs.5,1