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软土地基上屈服装置的单自由度系统参数化研究
若泽·哈拉 E·米兰达 A.G.阿亚拉
墨西哥，Michoacana大学，土木工程学院
美国斯坦福大学，土木与环境工程系
墨西哥，墨西哥国立自治大学，工程学院
2006年二月十九日收到，2006年八月二十号收到的修订表，2006年八月二十一日接收
2006年十月十三号可在线获得
摘要
近年来，利用屈服装置控制结构响应，降低地震损伤。一项旨在提供一些一般性的设计建议的建立在软土地基的结构与能量的屈服装置的研究。从一个全面的参数研究的单自由度系统的金属屈服装置的结果进行了总结。响应历史分析的结构和能量屈服装置的刚度与强度参数的考虑范围很广泛。特别注意的是专门确定的变形限制的状态，专注于延性需求的结构和能量屈服装置。它表明，结构的相对的主要时期的地面运动，以及由结构和能量屈服装置的横向强度的时间强烈的影响着延性需求。在本研究的结果对软土地基的金属屈服装置的几何和力学参数的初步选择提供了指导。
Ps：2006 Elsevier公司保留所有权利。
关键词：被动控制，刚度比，窄波段信号；地震响应。
介绍
在近几年中，我们一直努力的致力于提高我们对能量屈服装置的结构的抗震性能的理解。事实上，已经有相当大的人力物力投入到不同类型的屈服装置的研究与开发中去了。一些实验研究表明，各种类型的金属屈服装置可以提供良好的散能作用，具有稳定的滞回性能并且刚度和强度几乎不受影响。以前的实验和分析研究的优秀评论是斯金纳等人提供的。大多数关于能量屈服装置的振动台的研究和分析已经考虑了地面运动记录在岩石或坚硬的地面，其特征是具有宽光谱波段。一个显著的例外是由米兰达进行的分析研究，在软土地基上记录的地面运动的自由度系统的分析研究得出的的结论，与周期接近的主要时期的地面运动的结构，实用的滞回屈服装置不仅可以减少横向强度要求还可以减少横向位移要求。此后，在墨西哥市的几个结构已经被加装被动屈服装置。美罗美马丁内斯 提供了一个应用程序的摘要。本文的目的是提出一项研究的成果，旨在提高我们对于结构的地震响应的理解，以及如何将滞回屈服装置建造在超软土地基上，如墨西哥市前湖床的结构地震反应。提出了一个具有识别各种结构参数，对强度和变形的结构知道种所涉及的各种要素的强度和刚度的选择在设计过程中，需求的影响目的单自由度系统参数的研究结果。
2.单自由度系统的参数化研究
2.1 模型描述
该模型用于一项研究，该研究是一个动态的自由度平面结构体系（单自由度），主要结构提供横向的强度与刚度，他是工作在平行于支撑—耗能装置（图1）。在图中，M是结构质量，c是阻尼系数，kf，kb和kd分别是初级结构的侧移刚度（例如，结构），支撑和耗能装置。如图2所示，这也可以表示为单自由度的耗能装置连接到一个支撑系统，并结合系统连接的主要结构。主结构为一层抗弯结构，用双柱连接弹性刚梁。用弹塑性变形和弹性刚度进行了模拟kf。
非线性反应分析包括三种不同的基本模型，即进行：一个结构（MF模型），一个耗能模型（FD模型）和一个线性弹性支撑结构（BRF模型），可以示意性地表示为一下的装置之一（图3）。支撑结构的抗侧移刚度模型与结构耗能装置相同，是为了研究俩种系统，一种是有相同的侧向刚度单线弹性不同，一种是刚度相同但耗能不同。
图4说明了系统的侧向力变形。模型的横向刚度取决于结构，支撑和能量屈服装置的横向刚度。在这张图中，kt是总的侧向刚度，kf是结构结构的刚度，kb是不耗能支撑的横向刚度，kd是装置刚度，kbd是支撑装置系统的横向刚度，yf和yd分别是结构和能量耗能装置的屈服位移。最后，fyf和fyd分别是抗弯结构和耗能装置的屈服应力。
2.2模型参数
参数作为调查的一部分，我们进行了研究，这些参数包括：主要结构的运动周期，T；支撑-耗能装置的结构的侧向刚度比，fbd/kf；支撑耗能装置的刚度比kb/kd；结构的屈服位移比，yf/yd。所涉及的参数的取值范围为表1.这些参数范围涵盖了大多数的实际情况。
2.3参数研究
研究考虑了四种地震记录，六种不同的结构模型的周期范围从0.5秒到3秒，还有前面提到过的带有五中侧向刚度比的六种结构所产生的30种支撑结构模型，还有1440种不同的合并的耗能装置，共计5880种非线性分析。结构的抗弯刚度范围在92到14之间变化，抗弯刚度取决于所选择的系统周期（0.5秒倒3秒）。由于支撑耗能装置的串行连接，需要特别注意其刚度比的作用。
以墨西哥市软土区为代表的四级地震地面运动被选为具有窄带谱的代表。1985年9月19号的米却肯地震（MS=8.1）在SCT记录站得到了第一次记录。其他三地的运动分别在1993年10月24号的茉莉强震记录站（MS=6.6， 1），1995年9月14号（MS=2.7），1995年10月9号（MS=7.2）。所有这些地震都发生在太平洋沿岸的板块俯冲海沟，墨西哥和震中距离超过 200公里。
为了有类似的地面运动强度，在哈拉帕站记录的地面运动被缩放到有5%的最大阻尼光谱坐标，这等同于SCT记录的1985年大地震期间的数据，约为1g，四个运动的5%阻尼线弹性响应谱显示在图5。选择的所有记录都具有高能且在低频状态，这是典型的软土矿床，这些记录的特点是具有好的两秒的周期（Ts），他们是具有代表性的软土的地面运动，他们是在墨西哥的一些地区。Jal1到jal2的记录还显示了0.5到1.5秒之间的主要能量内容。使用DRAIN-2DX电脑程序【10】可以得到非线性反应分析。假设耗能装置和当下的结构模型有弹塑性动作。平均的非线性反应分析的最具代表性结果将总结在下面的段落。
2.4分析结果
图6显示了结构延展性要求为T=0.5s（T/Ts=0.25）。八个图中每个图对应着有着不同的位移屈服比，不同的还包括用于支撑结构模型的延性需求（BRF）曲线和刚度比不同的耗能装置的六条曲线（FD）。可以看出的是，无论屈服位移比怎么变化，结构的延性需求随着装置的侧向刚度比的增大而降低。在这种情况下，刚度比只对屈服位移比在大于等于1.5的情况下有影响。小于1.5时，该结构是弹性的且无需考虑侧向刚度比。只有一个小的无弹性形变会引起一个小的参数范围（侧向刚度比小于1.5，结构刚度比大于1.5），使用位移比等于2。当使用更大的刚度比时，要注意延性需求的增加。几种参数的组合一下两种情况做出让步，一种是位移比大于3时的无弹性变形，二是位移比等于10时的大部分模型分析。刚度比从1.0增加到5.0的过程中，结构的延展性减少了三倍以上。在结构的非弹性变形上着重强调着刚度比的作用。在这我们应该指出，支撑结构模型的弹性变形适用于几乎所有情况。
图7可以展现出耗能装置在延性上的需求。由此可以看出，在装置上的延展性需求很大程度上被支撑装置的刚度比所影响，延展性需求随着装置的刚度比的增加而增加。对于所给的侧向刚度比，装置的延性需求会根据所采用的刚度比的四种因素而变化。这意味着相比于侧向刚度，支撑刚度会使装置的耗能达到最大化。此外，支撑装置的影响会随着侧向刚度比的减小而增加。
图8显示了当振动周期为1 秒时的结构的延性要求。可以看出，一般的延性要求都比较小。一般情况下，支撑结构模型的延性要求是低于耗能装置模型的，在小的侧向刚度比上回表现出轻微的非线性变形。在大多数情况下，当侧向刚度比等于1时，变形曲线会产生最大的不同。对于参数分析的范围，结构的弹塑性变形的观察只是少数情况，而且只是在中等的延性要求下（最大影响要求低于3.5）。刚度比相对于位移比来说有着更为显著的延性作用；当位移比为10时，结构会体验到延性要求在2.1到3.4变化，而这取决于所采用的刚度比。在一般情况下，在延性要求与当前所描述的模型十分相似时，该模型会体现一个整体的趋势。
在图9中显示了在结构的周期为1秒时的装置延性要求。如上所述，在刚度比上有一个明确的延性要求的根据。在结构具有弹性偏移时，刚度比的影响会加剧。还应该指出的是，无论位移比如何使用，侧向刚度比的增加都会使延性要求降低。在这个模型中，在位移比小于3时，该装置具有小的延性要求，位移比在大于等于3小于10时，是中等延性要求，当大于等于10时，具有大的延性要求。值得注意的是，位移比较大的模型会对刚度比的数值有较大的依赖。延性要求会在3到14的范围内变化。
当系统的周期被设定为1.5秒时，结构的位移和延性要求会的到整体的增加（数据未显示）。但是，在总体趋势的反应上并没有显著的差异。在保持以前提到的一般趋势下，耗能装置的延性要求略有增加。
在前面的数字的基础上，我们确定了几个总的趋势。当结构的周期位于反应谱曲线的上升段时，结构延性要求随着刚度比的增加而降低。在使用较大的侧向刚度比和较小的刚度比时，BRF模型和FD模型之间形变的差异是相对小的；这种行为在小的无弹性形变的装置上是可以预料到的。相比于BRF模型，在FD模型下的能耗装置的非弹性行为会增加结构的位移。为了使结构延性要求处在较小的数值，我们建议将侧向刚度比设置在2.0到3.0之间，刚度比小于2.0，位移比在4.0到5.0之间。在FD模型 下，我们可以通过增加结构的横向刚度来减少更多的延性要求，这是显而易见的。
在一般情况下，耗散系统中带有柔性装置的硬支撑可以增加延性要求；这个趋势是比结构周期与刚度比成反比更加重要的结论。刚度比数值在从0.5到5.0的变化可以增加五倍耗能装置的延性要求和两倍的结构位移。在所有情况之下的分析，使用FD模式下的耗能装置系统可以大幅度的减少在MF模式下的结构位移。
前面附图所示，对于T/Ts小于1时，有两种可能的方法去控制延性要求：一个是通过增加侧向刚度比，也就是通过增加支撑装置系统相对于结构刚度的横向刚度；第二个方法时通过减小刚度比，（减小所述的耗能装置的横向刚度）。举例来说，在侧向刚度比从1变化到5时，在周期为1秒和位移比为5时的结构延性要求会降低六倍。同时，使用相同的位移比和侧向刚度比（=1），当刚度比从5.0减小到0.5时，结构的延性要求会降低70%以上。
当系统的周期与地面运动的主要区间相同时（周期2s，T/Ts=1.0），在相对于之前讨论过的情况，一些行为差异的反应将增加。现有的大量参数组合，特别是对于小的KBD/kf值，将产生结构的非弹性形变。（图10）。值得注意的是，尽管行为上区间为yf/yd比值有相似的趋势，一个重要的变化为yf/yd大于等于4；结构延性要求与在kbd/kf比值上的增加，但直线段的斜率减小了。此行为是有关在此期间区域的地震记录的高能量含量。
为了更清楚的说明研究，以符合周期为2s的价格响应的参数的贡献，另外两个图标是阐述。第一个（图11）显示结构位移要求为kb/kd比值率为yf/yd的四个函数值，每条曲线对应着不同的kbd/kf值。Kb/kd大于2表示晓得贡献这一参数在哪个地区结构的位移要求曲线的光坡。由于窄带的响应谱和分析模型（t/ts=1），在结构的位移响应，在kbd/kf的效果是明显的区间；应该指出的是，增加kbd/kf趋势与降低结构的位移。取决于kbd/kf与yf/yd的使用，结构的位移将会价绍五分之一，如果将kbd/kf从1提高到5.
3.限制行为的状态
先前讨论的结果表明，各种系统参数和系统响应的总趋势的贡献。为了提供与位于软土遗址屈服设备结构的机械和几何形性质的初步选择进行进一步指导，结构和能量耗散系统需求如下极限状态进行了研究。
∆y f /∆每个待定/ Ts比值比（YD和耗能设备的系统对地面的卓越周期的周期比）来实现所需的行为得到。这些比率有助于与能量耗散装置需要避免预先建立的极限状态系统模型的周期初步选择。
3.1。延性需求的极限状态
这种极限状态是特别重要的考虑到结构的有限延展性能力，应遵守一个新的代码规范的要求。下面的数字显示的周期范围和收益率限制的延性要求的框架micro;= 1，1.5，2和3。在直线段的区域表示的区域的参数组合，其中一个极限状态是完成。的帧的帧的时间比为/不，= 0.50，吨/日= 0.2 0.75（0.5 = 1，吨= 1.5，不，）位于响应的提升分支中光谱，在整个范围内完成这些极限状态研究变量（图。16 - 18）。一般来说，增加的帧周期减少待定/ TSminus;∆y f /∆YD地区实现极限状态。此外，本该／Ts比值较大，这小∆y f /∆YD比允许保留的框架模型选定的极限状态。
图表显示，使用∆y f /∆YD比5以上进行框架的延性需求大于1.5.however，使用∆y f /∆YD = 4可以完成任何极限状态的行为是基于TBD／Ts比值适当的选择。
即使一个类似的趋势，观察到的时间范围内完成选定的延展性需求是大大减少在模型中，与/或1（图19）。在0.41至三的期间内，可以决定0.50延性需求为框架（1.5，2和3）。然而，如果待定/ TS gt; 0.58保持框架的延性需求低于3是不可行的。一个特征的帧的行为的时间接近和大于的记录的主要时期是，限制状态的数量的模型可以满足的数量减少。
随后的系统研究（吨/ 1.25和吨= 1.50）的响应谱的降支分布。减少周期由于设备的设备进行的框架，以更大的响应，并降低了允许的周期范围内实现的极限状态（图。20和21）。图20表明，TBD／Ts比值必须限于∆y f /∆YD＜5如果2框架延性需求是追求0.62–范围0.50。否则，较大的TBD／Ts比值导致高延性要求的框架。
研究的最大周期比（吨= 1.50），减少甚至更多的极限状态的数量（图21）。在这种情况下，在支撑–装置刚架的刚度对比的范围只有一个可能的极限状态，时间范围限制的延展性需求micro;= 3大幅减少；如果待定/ TS gt; 0.75框架的延性需求大于3。研究的长周期模型往往有较大的延性需求比短和中期系统。这一趋势支持的概念，能量耗散装置是更适合用于吨/ 1。
3.2。耗能装置延性要求的极限状态
针对最常
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