高等鋼結構塑性設計及抗震作業(yè)

1、高等鋼結構原理第三、四章學生作業(yè)系 （所）：建筑工程系學 號：1332520姓 名：曾敏培養(yǎng)層次：碩士2013年11月26日3.1b 綜述有關各種改進塑性鉸法、各種塑性區(qū)方法的研究和應用進展。1. 改進塑性鉸法對于主要發(fā)生彈性屈曲的細長構件，彈塑性鉸法與塑性區(qū)法計算結果符合很好；然而對于發(fā)生較大屈服并伴隨塑性擴展的粗短構件，由于忽略了屈服沿構件的擴展，不能考慮構件因漸進屈服過程造成的剛度削弱，用彈塑性鉸法預測構件承載能力誤差較大，所以許多學者提出了改進塑性鉸法。prakash等改進了塑性鉸法并推出了drain-3dx分析軟件，材料的非線性用截面纖維的應力-應變關系體現(xiàn)，由軸向力引起的幾何非線性

2、用幾何剛度矩陣體現(xiàn)，但是由軸向力和彎曲相關作用引起的幾何非線性不予考慮。該方法高估承受大軸向力構件的強度和剛度。liew等使用的改進塑性鉸法中，殘余應力用傳統(tǒng)的梁-柱有限元模型考慮，材料非線性以計入描述材料屈服面-邊界面的非彈性參數(shù)的方式考慮。該方法對僅承受軸向力的短構件低估其屈服強度最大達7%。chen等所用的改進塑性鉸法用穩(wěn)定函數(shù)考慮幾何二階效應，crc切線模量考慮殘余應力，同時也提出了處理幾何缺陷的具體方法1。但應用起來仍有局限。chan2,3等人首次提出點平衡插值單元（pep 單元）代替穩(wěn)定函數(shù)，實現(xiàn)了一根結構桿件采用一個計算單元，該計算單元能夠考慮初始彎曲缺陷，計算效率和收斂性更好，

3、計算精度也很高?？偟膩砜?，liew、chen等人發(fā)展的改進塑性鉸法可以考慮以下兩種剛度退化：1）塑性鉸形成截面的剛度退化。2）兩塑性鉸之間構件的剛度退化。這種方法和彈塑性鉸法一樣簡單有效，同時保持了對結構體系及其構件承載能力和穩(wěn)定性計算的較高精度。經過多年的研究，改進塑性鉸法在分析二維框架的平面內分析方面已比較成熟，開始向空間框架高級分析延伸。有研究者主張先利用現(xiàn)有塑性鉸法進行平面內分析，再進行考慮殘余應力和初始幾何缺陷的基于非線性側向屈曲分析的實用高級分析。這方面的例子見文獻4,5。文獻4用lrfd公式計算不同側向支撐長度下的側向扭轉屈曲強度，如果無側向支承的長度超過發(fā)生全截面（面內）屈服的

4、極限長度，則用側向（彈性或非彈性）扭轉屈曲強度代替全截面屈服強度，代入考慮軸向力與彎矩相關作用的截面塑性強度公式（aisc-lrfd雙線性相關公式）。文獻5分別進行平面內分析和平面外屈曲分析，用“有效剛度法”綜合考慮所有材料非線性、殘余應力和幾何缺陷對平面外屈曲的影響。對空間框架的分析見文獻1,6-7。其使用的分析單元共12個自由度（每個端部6個），忽略了翹曲約束的影響。另外，對改進塑性鉸法高級分析其他有關問題的研究也取得了進展。chen等研究了鋼框架的半剛性連接問題，使得結構整體分析中可以考慮連接的半剛性及其剪切變形影響。kim等又進一步研究了考慮局部屈曲效應、應變反轉的方法以及有關弱軸彎曲

5、的處理辦法。關于改進塑性鉸法在抗震設計中的應用方法可參考文獻8。改進塑性鉸法可以考慮二階效應、材料非線性和幾何缺陷等多種非線性因素的影響，利用計算機程序對鋼框架進行整體分析，并且具有對計算機性能要求不高、計算省時同時又可以滿足工程設計精度要求等優(yōu)點，有可能取代當前各國規(guī)范普遍采用的基于單構件設計的方法，成為實用的二階非線性鋼框架設計方法。但是因為塑性鉸法沒有像塑性區(qū)法一樣將截面分成面積分區(qū)，所以很難精確考慮局部屈曲和平面外屈曲特別是翹曲效應，對局部變形、翹曲與軸向力和彎矩間的相關作用、端部翹曲約束的模擬還比較困難。目前該方法一般不考慮屈曲前效應和屈曲后效應。2. 塑性區(qū)方法塑性區(qū)法用于結構分析

6、較早，國內外的研究成果相對多一些。在國外，vogel于1985年用塑性區(qū)法（塑性分配法）分析了緊湊型截面二維框架，其結果被廣泛用作檢驗框架分析精確程度的標準。2000年，avery分析了非緊湊型截面框架，給出了詳細的殼單元分析模型，并且做了大型試驗檢驗其分析模型的精度。2002年，jiang等利用塑性區(qū)法進行三維鋼框架非線性分析，用塑性擴展模型模擬結構構件，考慮了殘余應力、初始缺陷以及壓力、彎曲和扭轉的耦合效應，但限制局部屈曲，不能考慮側向扭轉屈曲。其所編制的計算機程序要達到塑性鉸法程序相同的精度，需要將構件劃分為7個單元，這也證實了塑性鉸法的效率。國內的王孟鴻采用薄壁構件理論考慮了構件截面翹

7、曲的影響，進行了各向同性損傷理論塑性區(qū)分布模型的彈、塑性區(qū)雙重非線性分析，以及考慮局部屈曲、節(jié)點區(qū)變形和半剛性連接的三維空間鋼結構非線性分析，并且在理論分析基礎上編制了實用的三維空間鋼結構的彈、塑性分析軟件9。目前塑性區(qū)法主要分為兩類：（1）基于梁柱單元的塑性區(qū)方法。先將構件劃分為若干段、若干片（截面），再細分為若干條（纖維），可考慮正應力和整體初始幾何缺陷對塑性發(fā)展的影響。結構在屈服后的力與變形計算需要迭代求解，在目前階段的工程設計中還不能應用，只限于以下幾個方面：1）鋼結構細部特性研究；2)驗證簡化方法的精度；3）對比試驗結果；4）導出設計公式和實用圖表；5）特殊的設計問題。（2）基于三維

8、殼單元的塑性區(qū)方法?；谒苄宰冃卫碚摰膹椝苄苑治龇椒?，可同時考慮正應力和剪應力對塑性發(fā)展的影響，也可同時考慮整體初始幾何缺陷和局部初始幾何缺陷對塑性發(fā)展的影響。但需要采用大量的三維殼單元來模擬結構，并運用復雜的數(shù)值積分來計算彈塑性剛度矩陣，計算量極大，只適用于小型結構分析以及需要考慮結構局部板件失穩(wěn)和屈曲等細部特性。很多學者認為塑性區(qū)法是真正意義上精確的彈塑性分析方法。但是由于劃分的單元數(shù)量特別多，造成結構的整體剛度矩陣十分龐大，在計算機計算分析過程中會導致較大的截斷誤差，迭代過程中更容易發(fā)散，耗時較長，計算費用很高。目前許多大型非線性分析軟件采用了塑性區(qū)法，或者包括塑性區(qū)法的多種混合方法。這

9、些軟件包括abaqus、ansys、marc等通用的商業(yè)軟件。隨著個人計算機性能的快速提高，用這種方法進行大型結構的分析和輔助設計是可能的9。3.2c 國外鋼結構相關規(guī)范(ec3)如何進行鋼梁柱連接節(jié)點分類？歐洲規(guī)范(ec3）對鋼梁柱連接節(jié)點有按剛度和按強度分類兩種方法。1按剛度分類通過其初始轉動剛度與分類邊界剛度的比較，節(jié)點可分為剛性節(jié)點、名義鉸接節(jié)點和半剛性節(jié)點。另外，也可以根據(jù)試驗結果、先前類似情況的經驗或基于實測數(shù)據(jù)的計算分析對節(jié)點進行分類。（1）基本要求1）剛性節(jié)點應具有足夠的轉動剛度以便結構分析時可認為此處完全連續(xù)。2）既不能滿足剛性節(jié)點要求又不能滿足名義鉸接節(jié)點要求的節(jié)點應看作半

10、剛性節(jié)點。半剛性節(jié)點應能夠通過節(jié)點的設計彎矩轉角特性來預計構件相互作用的程度。同時，半剛性節(jié)點應能夠傳遞內力和彎矩。3）名義鉸接節(jié)點，需要能夠傳遞內力，但是不傳遞明顯的彎矩，以至對構件和結構整體造成不利影響。同時，名義鉸接節(jié)點應能夠承受設計荷載產生的轉角。（2）除柱基以外的其他節(jié)點的分類邊界，如圖3.1所示。區(qū)域1中的節(jié)點當其剛度滿足式3.1時，為剛性節(jié)點： （3.1）式中：，適用于支撐體系可減小至少80%水平側移的框架結構；，適用于其他框架結構，假設每層區(qū)域2中的所有節(jié)點都為半剛性節(jié)點，區(qū)域1和3中的節(jié)點有的也可看作半剛性節(jié)點。區(qū)域3中的節(jié)點當其剛度滿足式3.2時，為名義鉸接節(jié)點： （3.2

11、）注：對于的框架，其節(jié)點應視為半剛性節(jié)點。以上各式中：該層頂端所有梁的平均值；該層所有柱的平均值；梁截面的慣性矩；柱截面的慣性矩；梁的跨度（柱中到柱中）；柱的層高；（3）在支撐體系可減小至少80%水平側移且變形的影響可忽略的框架結構中，柱基可看成剛性節(jié)點。當框架結構滿足以下條件之一時，變形的影響可忽略：1）；2）且；3）且；4）；以上各式中：假定柱兩端鉸接時柱的長細比；，柱截面的慣性矩，柱的層高；圖3. 1 節(jié)點分類邊界圖2按強度分類通過節(jié)點抗彎承載力設計值和與其相連的構件的抗彎承載力設計值的比較，節(jié)點可分為全強度節(jié)點、名義鉸接節(jié)點、部分強度節(jié)點。（1）名義鉸接節(jié)點名義鉸接節(jié)點應能夠傳遞內力，

12、但是不產生明顯的對構件和結構整體造成不利影響的彎矩。當節(jié)點具有足夠的轉動能力，但其抗彎承載力設計值（）不大于全強度節(jié)點的抗彎承載力設計值的0.25倍時，應看作名義鉸接節(jié)點。（2）全強度節(jié)點全強度節(jié)點的抗彎承載力設計值應不小于與其相連的構件的抗彎承載力設計值。如果某節(jié)點滿足圖3.1中的準則，可認為此節(jié)點為全強度節(jié)點。3.2 全強度節(jié)點圖（3）部分強度節(jié)點既不滿足全強度節(jié)點要求又不滿足名義鉸接節(jié)點要求的節(jié)點，可看作部分強度節(jié)點10。3.3b 簡述剪力和鋼材應力-應變曲線強化對受彎截面的極限抗彎承載力的影響。1. 剪力的影響（1）邊緣屈服法則構件中的截面，通常是承受彎矩和剪力的。同一截面上，彎曲正應

13、力最大值的點和剪應力最大值的點一般不在同一位置。在邊緣屈服準則下，正應力和剪應力的強度極限可以分別獨立考慮，即剪力對極限抗彎承載力無影響。但是截面上有些部位可能同時產生較大的彎曲應力和較大的剪應力，這時可根據(jù)材料力學第四強度理論來判斷這些點是否達到屈服。計算公式如下： （3.3）在邊緣屈服準則下，剪力降低了極限抗彎承載力。（2）全截面塑性法則但若以截面完全達到塑性作為極限狀態(tài)來考慮，截面抗彎承載力和抗剪承載力是互相關聯(lián)的： （3.4）按理想彈塑性模型考慮，截面能承受的彎矩將低于極限彎矩，即剪力降低了極限抗彎承載力。一些文獻對受彎受剪截面的強度作了理論分析。在工程常用截面的范圍內，當截面上最大剪

14、力不超過腹板截面的剪切屈服承載力，即，在板件不發(fā)生局部失穩(wěn)的條件下，剪力對極限彎矩的影響并不大，可以不予考慮11。2鋼材應力-應變曲線強化的影響鋼材實際應力-應變關系不是完全彈塑性，而是具有強化階段（）。截面上彎距和剪力都大時，很快進入該階段，使極限彎距大于?？紤]鋼材應力-應變曲線強化的影響，的存在不會降低，甚至提高。這已經在許多試驗中已證明了。3.4c 什么是merchant-rankine破壞準則？如何應用merchant-rankine破壞準則來修正一階剛塑性分析和一階彈塑性分析結果？1 merchant-rankine破壞準則的定義merchant-rankine破壞準則（式3.5）是

15、預測結構的屈曲趨勢導致其承載能力降低到低于其塑性極限承載力的程度的準則。 （3.5）式中：剛塑性破壞荷載系數(shù)，為一階剛塑性分析破壞荷載，為結構上施加的總荷載設計值；彈性臨界荷載系數(shù)，為彈性臨界荷載（第一階屈曲模態(tài)）；修正破壞荷載系數(shù)，為考慮效應后的修正破壞荷載。令施加的荷載等于極限狀態(tài)荷載時，必須不小于1.0。在上述公式中，應用merchant-rankine破壞準則檢驗結構的承載力是非常簡單的，但是還要計算一系列的軸力、剪力和彎矩來驗算構件的穩(wěn)定性。1 merchant-rankine破壞準則的應用（1）對一階彈塑性分析結果的修正通過引入系數(shù)，merchant-rankine破壞準則可用于一

16、階彈塑性分析。塑性鉸形成時，作為一個折減系數(shù)用于荷載系數(shù)的計算（見式3.6和圖3.3），即將一階彈塑性分析所得的塑性極限承載力乘以的系數(shù)。（3.6）圖3.3 荷載-撓度曲線（2）對一階剛塑性分析結果的修正應用該方法的具體步驟如下：（1） 選擇初始截面；（2） 計算初始截面的臨界屈曲荷載；（3） 計算系數(shù)；（4） 根據(jù)merchant-rankine破壞準則，將截面的塑性承載力除以；（5） 利用第（4）步得到的塑性承載力對結構進行剛塑性分析；（6） 驗算第五步得到的破壞荷載系數(shù)1.0。（7） 1）或2）1）用系數(shù)放大所有內部彎矩和內力，以產生一系列的內力來驗算構件的穩(wěn)定性；2）利用折減后的抗力來

17、驗算一階分析所得的彎矩和力。參考文獻：1 w.f.chen, seung-eock kim, se-hyu choi. practical second order inelastic analysis for three-dimensional steel framesj. steel structures, 2001, 1: 213-223.2 s. l. chan non-linear behavior and design of steel structuresj. journal of constructional steel research, 2001, 57(12): 1217

18、-1231.3 s. l. chan, h. y. huang, l. x. fang advanced analysis of imperfect portal frames with semirigid base connectionsj. journal of engineering mechanics, 2005, 131(6): 633-640.4 seung-eock kim, jaehong lee. improved refined plastic-hinge analysis accounting for lateral torsional bucklingj. journa

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20、he design of tubular space framesj. engineering structures, 2000, 22:769783.7 seung-eock kim, moon-ho park, se-hyu choi. direct design of three-dimensional frames using practical advanced analysisj. engineering structures, 2001, 23: 14911502.8 chen i-hong, and chen wai-fah. major design impact of 19

21、97 lrfd steel seismic code revision in usaj. journal of structure engineering, 2000, 27:1-16.9 李文嶺，郝際平. 鋼框架高級分析中的改進塑性鉸法j. 建筑中文網，2006. http:/www. pipcn. com /research/ 200603/ 8489.10 european committee for standardisation. bs en 1993-1-8: 2005 eurocode 3: design of steel structures，part 1-8: design

22、of joints. cen (comit europen de normalisation)，2005.11 沈祖炎，陳揚驥，陳以一. 鋼結構基本原理m. 第二版. 北京：建筑工業(yè)出版社，2008：152.4.1a多高層鋼結構框架梁柱剛性連接斷裂破壞的主要原因是什么？為防止框架梁柱連接脆性破壞可采取什么措施？如何評價這些措施？1鋼框架梁柱連接斷裂破壞（如圖4.1）的主要原因是1：（1）襯墊板在施焊后沒有除去，它和柱翼緣之間的縫隙形成人為裂紋，如圖4.2。（2）梁腹板切角較小，使焊縫在腹板處不易焊好，也難于檢查，以致留下嚴重缺陷。（3）厚度大的柱翼緣和柱橫向加勁肋對變形的約束作用使梁翼緣超負荷

23、，其連接焊縫處于三向拉伸的應力狀態(tài)，延性受到限制。（4）焊縫金屬的韌性偏低。（5）地震作用大，應變速率大，使得材料斷裂韌性下降。（6）所用鋼材的實際屈服點比標準值高出很多，以致塑性不能開展。（7）焊接殘余應力引起的應力集中。圖4.1 梁柱連接節(jié)點的脆性斷裂1圖4.2 人工縫22防止框架梁柱連接脆性破壞的措施及其評價1：（1）保留全焊接連接型式，實行以下改進措施：1）除掉下翼緣的襯墊板，進行清根和補焊，并加焊韌性良好的角焊縫。2）改變腹板下角的切角形狀和尺寸，并對火焰切割邊緣打磨拋光。3）對焊縫韌性提出要求。評價：抗震規(guī)范gb50011-2010對全焊接連接的要求主要參考日本技術資料。如允許保留

24、梁下翼緣焊縫的襯墊板，只要在下面加焊約6mm的角焊縫即可。翼緣角部的切角形狀和尺寸也不同于美國資料。焊縫的沖擊韌性在-20時要求27j，比美國資料寬松。上述改進措施只能減緩焊縫開裂，沒有降低梁翼緣超負荷狀態(tài)。（2）利用保險絲的概念，在節(jié)點之外設置一個薄弱環(huán)節(jié)。在大震來臨時，薄弱截面進入塑性并耗散能力，從而使梁柱連接焊縫不受損傷。gb50011-2010在條文說明中推薦骨形連接，如圖4.3所示。在距梁端150mm處開始，對梁翼緣形成月牙形的切削面，切削后的梁翼緣形成月牙形的切削面，切削后的梁翼緣截面不宜大于原截面的90%，應能承受按彈性設計的多遇地震組合下的組合內力。圖4.3 骨形連接1為進一步

25、提高梁端的變形延性，可根據(jù)梁端附近的彎矩分布，對梁端截面的削弱進行適當設計，使得梁在一個較長的區(qū)段（同步塑性區(qū)）能同步地進行塑性耗能（如圖4.4）。建議梁的同步塑性區(qū)l3的長度取為梁高的一半，使梁的同步塑性區(qū)各截面的塑性抗彎承載力比設計值同等的低510%，在同步塑性區(qū)的前后各有一個長l2=l4=10cm左右的光滑過渡區(qū)，過渡區(qū)離柱表面l1=510cm，以避開熱影響區(qū)。圖4.4 同步塑性設計示意圖此外，也可切除梁端一小段腹板或在梁端附近腹板上開孔以形成薄弱環(huán)節(jié)。評價：梁翼緣局部削弱會影響框架的剛度。（3）加強梁與柱連接的截面，如在梁端加腋（圖4.5a）、在翼緣外側加蓋板（圖4.5b）、擴大梁端（

26、圖4.5c）、采用翼緣板式連接（圖4.5d）3。 （c） （d）圖4.5 加強梁端截面1,3評價：這種方案比較適宜于現(xiàn)有結構的加固。增強部分可以如圖所示在工地用焊縫連接，也可以改用高強螺栓連接。（4）采用新型的連接型式。如圖4.6，梁上下翼緣用角鋼連接，但腹板不用連接角鋼而是在梁高度范圍內設幾道高強度后張鋼索，使梁與柱之間產生抵承壓力，這種節(jié)點完全不用工地焊縫，連接的初始剛度可達到典型焊接連接水平。在地震作用下，梁柱基本上處于彈性階段，由連接角鋼的塑性變形來承擔耗能任務。震后損壞的只是角鋼，易修復。評價：試驗研究表明連接的抗震性能良好。圖4.6 配置后張索的連接節(jié)點1（5）嚴格控制焊接工藝操作

27、，重要的部位由技術等級高的工人施焊，減少梁柱連接中的焊接缺陷。4.2b 綜述適用于鋼構件、鋼節(jié)點、鋼連接的幾種滯回模型和損傷指數(shù)。1. 滯回模型適用于鋼構件、鋼節(jié)點、鋼連接的滯回模型有普通雙線性模型、三線性模型、指向峰值模型、捏攏模型、連續(xù)光滑曲線模型等。普通雙線性模型未考慮剛度和強度退（軟）化，指向峰值模型考慮了剛度退化，而捏攏模型考慮了剛度和強度退化。它們的表現(xiàn)形式、特點及應用見表4.1.表4.1 常用滯回模型的歸類及應用4此外，國內外學者還提出了很多考慮損傷的滯回模型。如文獻5針對“強柱弱梁”形式的焊接節(jié)點，提出了考慮損傷的節(jié)點雙線性模型，并以此推導出節(jié)點滯回全曲線簡化計算方程，提出了計

28、算模型中4個獨立參數(shù)的計算方法。2. 損傷指數(shù)影響鋼構件、鋼節(jié)點、鋼連接的損傷指數(shù)d的因素相當復雜，人們提出各種各樣的分析方法，歸納起來主要從三個方面著手：由退化的角度，包括剛度退化和每次循環(huán)滯回能的退化；由變形角度，從構件變形方面，應變塑性率方面；由變形和能量角度的綜合考慮4。（1） 考慮退化方面1963年，rabotnov 定義損傷指數(shù) d 衡量材料或結構的受損程度。損傷指數(shù)對構件的影響反映在有效面積的減少上面。 (4.1)其中，a 為材料截面原面積，a為損傷后材料截面有效面積。損傷指數(shù)0d1；當d=0時，材料無損傷；d=1時，材料完全破壞。據(jù)此定義有效應力為外加載荷 f 有效面積 a之比

29、： (4.2)leimaitre在 1971 年提出的著名的 lemaitre 應變等效假設，成為連續(xù)損傷力學的重要理論基礎。這一假設是：損傷單元在應力作用下的應變與無損單元在有效應力作用下的應變相同，即對于一維線彈性材料： (4.3)其中為材料應變，e為材料彈性模量，d為損傷指數(shù)。和分別為名義應力和有效應力。損傷體現(xiàn)在材料剛度e退化5。（2） 考慮變形方面1999年，董寶等人在考慮損傷積累影響的鋼柱空間滯回過程的仿真中，采用塑性應變來計算損傷指數(shù)d。2002年，李杰等人在抗震焊接接頭在模擬地震循環(huán)荷載作用下累積損傷的研究中，損傷指數(shù)d也是以塑性應變?yōu)閾p傷參數(shù)。（3） 綜合考慮變形和能量200

30、4年李洪泉等人通過損傷指數(shù)來定量確定結構的剩余剛度和強度，采用的損傷指數(shù)是以位移和累積滯回耗能描述的雙參數(shù)損傷函指數(shù)d4。4.3b鋼支撐的滯回曲線有何特點？有限元模擬分析的要點？1鋼支撐的滯回曲線特點圖4.7 鋼支撐的單循環(huán)滯回曲線6鋼支撐作為軸心受力構件，其單循環(huán)加載時的滯回曲線如圖4.7。中等長細比的鋼支撐，其單循環(huán)滯回曲線如圖4.7（a）。曲線初始斜率和在受拉時的卸載斜率都由彈性剛度確定。受壓到達a點時，構件失穩(wěn)彎曲。若壓縮變形繼續(xù)，則截面上塑性逐漸開展，抗壓承載力與構件剛度隨之下降。b點是由于地震反向作用，壓力開始減小，到達c點時，構件截面受拉最大處開始發(fā)展塑性6。當構件恢復原長后，剛

31、度又有所上升，直至達到e點時接近全截面受拉屈服。ef段支撐進入塑性拉伸變形階段，而在f點后支撐開始彈性卸載并進入下一循環(huán)。由于包辛格效應和殘留的側向變形，后一循環(huán)的支撐穩(wěn)定承載力將會明顯低于前一循環(huán)的。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性損傷逐漸累積，支撐的穩(wěn)定承載力、屈曲后軟化剛度和屈曲后卸載剛度等都將不斷降低7。支撐典型的多循環(huán)滯回曲線見圖4.8。長細比較大的鋼支撐，受壓失穩(wěn)時的臨界力很低6，其單循環(huán)滯回曲線如圖 4.7（b）所示。圖4.8 鋼支撐的多循環(huán)滯回曲線62有限元模擬的要點有限元法將支撐劃分成離散的梁單元或殼單元，賦予各單元幾何和材料特性，并在支撐中部設置初始幾何缺陷來模擬支撐的滯回曲線7。

32、理想的支撐模擬分析中應考慮支撐受拉屈服、受壓屈曲、往復荷載下屈曲承載能力退化、循環(huán)切線剛度退化、塑性沿桿長截面發(fā)展、塑性下板件的局部屈曲及低周疲勞失效等多種因素的影響。采用殼元模擬支撐滯回行為，可以考慮塑性沿桿長和截面的發(fā)展、局部屈曲、塑性鉸處截面變形、baucshinger效應、殘余彎曲及殘余伸長等非線性因素；采用梁元模擬支撐滯回行為，雖然不能準確考慮塑性鉸區(qū)局部屈曲及截面變形引起的退化效應，但在框架支撐結構整體分析中應用梁元方法模擬支撐是大有潛力可挖的8。4.5b你了解哪些結構抗震“保險絲”概念、構造和結構體系？請綜述其特點、最新研究進展和工程應用現(xiàn)狀。1減震阻尼器阻尼器通常安裝在支撐處（

33、圖4.9）、框架與剪力墻的連接處、梁柱連接處、以及上部結構與基礎連接處等有相對變形或相對位移的地方。阻尼器耗散地震傳給結構的能量，從而保護主體結構，起到“保險絲”的作用。阻尼器根據(jù)耗能機理的不同，可分為速度相關型、位移相關型和速度-位移相關型（復合型）。（1）速度相關型阻尼器，從小振幅到大振幅都可以產生阻尼耗能作用，但這種阻尼器一般采用黏性或黏彈性材料制作，阻尼力往往與溫度有關。（2）位移相關型阻尼器通常用塑性變形性能好的材料制成，利用其在反復地震荷載作用下的良好的滯回耗能性能來耗散地震能量。（3）復合型阻尼器（消能器），是利用兩種或以上的消能元件或消能機制設計而成的新型消能減震裝置。已研發(fā)的

34、一些復合型阻尼器有：彈塑性-摩擦型消能器、彈塑性-粘彈性消能器、摩擦-粘彈性消能器、鉛-粘彈性消能器、流體-粘彈性消能器等。圖4.10為阻尼器在同濟大學新土木大樓中的應用。（a） （b） （c）（d） （e） （f）圖4.9 消能器應用于支撐9圖4.10 土木大樓中的阻尼器鋼消能器利用鋼材屈服耗能，具有減震機理明確、耗能性能優(yōu)越、效果顯著、環(huán)境對其性能影響較小、且易于更換等特點。軟鋼（低屈服點鋼）的屈服強度低、強度穩(wěn)定、變形能力強，故軟鋼消能器耗能減震效果好。北京中國婦女活動中心酒店（圖4.11）就采用了加勁軟鋼消能器。近幾年，國內對各種外形的軟鋼消能器的研究較多。2011年李鵬飛等提出一種安

35、裝于輕鋼龍骨密肋復合墻空格內的小型軟鋼消能器；低周往復加載試驗結果表明彎剪型鋼耗能器既能提高耗能器的側向剛度，又可避免面外失穩(wěn)。2011年李愛群等提出了拋物線外形軟鋼消能器，并給出了該消能器的外形設計公式；擬靜力試驗結果表明拋物線外形軟鋼消能器有效地避免應力集中。2012年章平平等提出一種 u 型軟鋼消能器，并建立了相應的力學分析模型。鋼消能器已在新建建筑的減震設計和既有建筑的減震加固維修中得到較廣泛應用。在日本，低屈服點鋼剪切板和蜂窩狀消能器的應用較多。在美國和墨西哥，x型加勁阻尼裝置得到較多應用。在中國大陸和臺灣，（hadas）制震板得到較廣泛應用10。圖4.11 加勁軟鋼阻尼器的安裝11

36、2耗能支撐耗能支撐實質上是將各式阻尼器用在支撐系統(tǒng)上的耗能構件，在地震作用下，耗能支撐先進入塑性變形階段，消耗部分地震能量，從而保護主體結構，起到“保險絲”的作用。（1）耗能交叉支撐如圖4.12所示，在支撐交叉處，利用彈塑性阻尼器的原理，通過鋼框的塑性變形消耗地震能量。（2）摩擦耗能支撐將高強螺栓-鋼板摩擦阻尼器用于支撐構件，可做成摩擦耗能支撐。圖4.13是在支撐桿或節(jié)點板上開長圓孔的簡單耗能支撐的節(jié)點做法。摩擦耗能支撐在風載或小震下不滑動，能像一般支撐一樣提供很大的剛度；而在大震下支撐滑動，能降低結構剛度，減小地震作用，同時通過支撐滑動摩擦消耗地震能量。圖4.12 塑性耗能支撐12圖4.13

37、 摩擦耗能支撐節(jié)點12（a）角部構造；（b）節(jié)點板構造（3）耗能隅撐耗能隅撐是在偏心支撐的基礎上發(fā)展起來的（圖4.14）。隅撐兩端剛接在梁、柱或基礎上，普通支撐簡支在隅撐的中部。利用隅撐作為耗能“保險絲”，將塑性破壞控制在結構次要構件上，在保證結構主要構件不受破壞的同時也保證支撐桿件不屈曲，有效克服偏心支撐框架中耗能梁段作為保險絲的缺點（耗能梁段作為梁的一部分，在地震作用下產生較大塑性變形，震后修復費力）；隅撐截面小，破壞后更換方便；隅撐框架不限于梁柱剛接，梁柱可以鉸接或半鉸接。圖4.14 隅撐結構12（4）屈曲約束支撐（brb）傳統(tǒng)的支撐在受壓時會產生屈曲。屈曲約束支撐是在核心支撐的外面套一

38、個約束構件，核心支撐和約束構件間能自由滑動（圖4.15），工作時，僅核心支撐與框架結構相連，而約束構件則約束了核心支撐的橫向變形，防止核心支撐在壓力作用下發(fā)生整體屈曲。因此，brb在拉力和壓力作用下均可以達到充分屈服，具有良好的延性，滯回曲線穩(wěn)定飽滿（圖4.16），其滯回曲線明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼支撐12。圖4.15 屈曲約束支撐的基本部件12圖4.16 屈曲約束支撐的滯回曲線12圖4.17為brb（圖中紅色構件）在上海世博中心工程中的應用。2010年汪大綏等人對世博中心工程中采用的brb進行了研究。足尺試驗結果表明，brb的承載力因應變強化和受壓而提高，而且不同廠家的產品性能有一定差別，制定統(tǒng)一的

39、產品驗收標準是必要的；靜力彈塑性分析和彈塑性動力時程分析結果均表明，合理布置brb，在罕遇地震作用下可使brb同步屈曲，整體結構具有較好抗震性能13。20092012年，廣州大學的周云等14,15,16,17針對普通屈曲約束支撐屈服位置難以確定而導致其設計期望性能與實際工作性能有時不符的缺陷，提出了“核心單元局部削弱相當于其他部分加強”的屈曲約束支撐設計思想，給出“開孔式（圖4.18）”和“開槽式（圖4.19）”三重鋼管防屈曲耗能支撐設計方案，對其進行了試驗研究與有限元模擬，并提出其設計方法。圖4.17 典型結構立面布置圖13圖4.18 管式核心單元開槽示意圖16圖4.19 管式核心單元開孔示

40、意圖16在日本，自1995年神戶地震后，屈曲約束支撐就得到了大范圍應用，目前已經有超過400棟建筑采用了屈曲約束支撐。在美國，自1994年的北嶺地震后，屈曲約束支撐也得到了普遍的應用，目前已經有超過50棟建筑安裝了屈曲約束支撐。在中國臺灣地區(qū)和大陸，屈曲約束支撐同樣也得到了大范圍的應用，臺北縣政府大樓、上海世博中心、上海東方體育中心綜合館等工程中就采用了屈曲約束支撐11。3偏心支撐框架中的耗能梁段位于支撐斜桿與梁柱節(jié)點(或支撐斜桿)之間的耗能梁段（圖4.20中標記的梁段），一般比支撐斜桿的承載力低，同時具有在重復荷載作用下良好的塑性變形能力。在風載或小震作用下，支撐不屈服，偏心支撐能提供很大的

41、側向剛度。在大震下，耗能梁段首先屈服吸收能量，能起到“保險絲”的作用；支撐不屈服，能有效保證結構的剛度。圖4.20 耗能梁段94可更換鋼連梁美國克萊姆森大學的fortney和辛辛那提大學的shahrooz在2006年提出了一種可更換的帶“保險絲”的鋼連梁。他們的研究表明，合理設計的鋼連梁能充分耗散能量。未來的趨勢就是要使鋼連梁更方便施工，同時在耗散大量能量的同時不損壞母體墻。他們的設計思想是連梁所有的非彈性破壞都集中在連梁中段的截面上，母體墻和連梁與墻體連接的部分都不損壞，并且這段鋼構件是可以更換的。兩位研究人員在2007年做了大比例的可更換的“保險絲”鋼連梁試驗。試驗表明，這種連梁設計不僅可

42、以有效保護主體結構的安全，而且有利于損傷后的更換。圖4.21為試驗中鋼連梁構件中段示意圖18。圖4.21 “保險絲”鋼連梁示意圖185hdf（hold-down equipped with fuses）由帶有縫隙的鋼板制成的“保險絲”置于振動框架和由基礎之間，分別與上面的框架和由基礎支撐的地腳螺栓連接。鋼板制成的“保險絲”能消耗大部分地震能量，這樣框架里的構件和墻體受到的損害變小。它能通過改變保險絲的幾何尺寸控制其屈服強度和彈性剛度，地震運動中的應變速率對鋼結構的滯回曲線影響也變小。6搖擺鋼框架中的“保險絲”2008年hajjar等設計了一種新型的鋼支撐搖擺框架結構，基底可以自由轉動，框架底部

43、與基礎是分離的，在轉動過程中通過垂直設置的預應力鋼索使其恢復原位，鋼構件“保險絲”（抗剪消能鍵）在框架的來回轉動過程中耗散地震能量。研究人員設計了兩種形式的“保險絲”，見圖4.22（a）和圖4.22（b）。前者通過一個固定在框架底部的鋼板發(fā)生塑性變形來耗能；后者用一種特殊形狀的可以發(fā)生較大塑性變形的鋼板將兩個框架連接起來。試驗研究表明，搖擺框架成功地使破壞位置集中在了可更換的“保險絲”和鋼索上，鋼框架基本沒有大的損壞，更重要的是這種框架試驗結束后沒有殘余變形，而且修復方便；并且經過特別設計的可更換“保險絲”具有很大的變形能力和優(yōu)良的耗能能力，在變形過程中基本沒有開裂18。 （a） （b）圖4.

44、22 搖擺框架中的“保險絲”137鋼板剪力墻鋼板剪力墻（以下簡稱為鋼板墻）是自20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型抗側力構件，其在屈曲后仍具有較高的承載力、良好的延性以及穩(wěn)定的耗能能力，能發(fā)揮抗震“保險絲”的作用。薄鋼板剪力墻則較早發(fā)生剪切屈曲，屈曲后形成剪切屈曲半波類似“拉力帶”，因而鋼板剪力墻能繼續(xù)承載。其它形式的鋼板剪力墻大多以阻止鋼板的平面外變形為目標，讓鋼板盡可能的保持在平面內工作來消耗更多的能量。圖4.23為非加勁鋼板墻。圖4.23 非加勁鋼板墻鋼板剪力墻結構體系由內嵌鋼板和邊緣構件（框架梁、柱以及加勁板件）構成，內嵌鋼板通常與框架梁、柱同時連接以在整體上構成抗側力體系，該結構體系可視為固定在