塑性鉸參照分析

1、鋼結(jié)構(gòu)中的塑性鉸及其應(yīng)用綜述姓名：嚴(yán)小偉學(xué)號(hào)：15121116北京交通大學(xué)2021年10月鋼結(jié)構(gòu)中的塑性鉸及其應(yīng)用綜述摘要:結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下產(chǎn)生塑性變形，在塑性鉸形成的過程中能吸取大量的能量。在設(shè)計(jì)中恰到好處地設(shè)計(jì)塑性鉸形成的位里并加以應(yīng)用，可有效降低震害，不至于出現(xiàn)迅速倒塌的后果。關(guān)鍵字：塑性鉸理論；塑性變形；破壞機(jī)制1.引言 地震是一種具有突發(fā)性和毀滅性的自然災(zāi)害，它對(duì)當(dāng)今人類社會(huì)的危害主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是地震引起建筑物的破壞或倒塌將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，二是地震及其地震引起的水災(zāi)、火災(zāi)等次生災(zāi)害將破壞人類社會(huì)賴以生存的自然環(huán)境，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，產(chǎn)生巨大的社會(huì)影響。我

2、國地處世界上兩個(gè)最活躍的地震帶上，是世界上的多地震國家之一，強(qiáng)烈地震給我國人民帶來的災(zāi)難尤為嚴(yán)重。從歷史上來看，我國的地震災(zāi)害面積己達(dá)到我國的國土面積的一半以上，尤其在近幾年地震活動(dòng)相當(dāng)頻繁。因?yàn)楹芏嗵卮蟮卣鸾o人類帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，一些特大地震己給人類社會(huì)帶來了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，這就使得我們要對(duì)深入研究土木工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理論和應(yīng)用方法進(jìn)行深入的研究。不同階段，客觀因素和人類的認(rèn)識(shí)水平是不一樣的，這就形成了不同的抗震設(shè)計(jì)思想和方法。通過工程技術(shù)措施，保證建筑物和工程設(shè)施的抗震安全，是減輕地震災(zāi)害的有效手段，作為抗震災(zāi)害的重要環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論的不斷完善是世界各國重點(diǎn)研究的課題之一。

3、結(jié)構(gòu)在塑性變形中形成的塑性鉸在抗震中能發(fā)揮重要作用，塑性鉸能否在罕遇地震中出現(xiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)安全和生命財(cái)產(chǎn)的安危是至關(guān)重要的。所以，很有必要對(duì)其進(jìn)行研究和探討，并應(yīng)充分利用塑性鉸來消耗地震的能量，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低地震災(zāi)害。2、塑性鉸的有關(guān)概念 鋼結(jié)構(gòu)中的塑性鉸在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服的橫截面處產(chǎn)生。如果不考慮結(jié)構(gòu)分析中鋼材應(yīng)變硬化,那么屈服的橫截面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不確定的轉(zhuǎn)動(dòng)并能承受一定的約束彎矩即塑性彎矩mp。 塑性鉸是與理想鐵相比較而言。理想鉸不能承受彎矩，而塑性鐵能夠承受彎矩，其值即為塑性鉸截面的極限彎矩。對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，由于存在多余聯(lián)系，某一截面的縱向鋼筋屈服，即某一截面出現(xiàn)塑性鐵并不能使結(jié)構(gòu)立即

4、成為破壞結(jié)構(gòu)，還能承受繼續(xù)增加的荷載。當(dāng)繼續(xù)加荷時(shí)，先出現(xiàn)塑性鐵的截面所承受的彎矩維持不變，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，沒有出現(xiàn)塑性鉸的截面所承受的彎矩繼續(xù)增加，直到結(jié)構(gòu)形成幾何可變機(jī)構(gòu)。這就是塑性變形引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)的過程就是內(nèi)力重分布的過程。塑性鉸的長(zhǎng)度塑性鉸長(zhǎng)度是進(jìn)行結(jié)構(gòu)延性計(jì)算和塑性設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。在結(jié)構(gòu)鉸的分析中,我們都習(xí)慣并認(rèn)同假定其為一個(gè)點(diǎn),但塑性鉸卻與結(jié)構(gòu)較不一樣,而是一個(gè)塑性變形區(qū)域,我們一般稱為塑性鉸的長(zhǎng)度。研究表明,塑性鉸的長(zhǎng)度與結(jié)構(gòu)的荷載、邊界條件、截面幾何形狀有關(guān)。3、塑性鉸理論對(duì)塑性鉸理論的研究，早在20世紀(jì)60年代wen和janssen就曾提出過一種雙線型單元模型

5、;clough, bensnka和wilson提出一種雙分量模型;aoyama 和sugan在他們研究的基礎(chǔ)上提出了3分量模型。但是無論是雙分量還是三分量模型使用范圍都非常有限。鑒于桿件實(shí)際破壞過程中，塑性鉸往往出現(xiàn)在構(gòu)件端部，集中塑性鉸模型被提出。giberson 提出利用桿端塑性轉(zhuǎn)角描述桿件的彈塑性性能的模型，恢復(fù)力模型可以選擇折線型和曲線型，適用范圍較廣;otani 和sown認(rèn)為，構(gòu)件的剛度隨著構(gòu)件受力過程和反彎點(diǎn)位置的變化而變化，即桿件被分為彈性、彈塑性桿端彈塑性彈簧段，反彎點(diǎn)位置由加載歷史確定;孫煥純1a首先使用平均剛度值來模擬構(gòu)件的剛度，它沒有考慮剛度沿桿件分布的變化。分布塑性鉸

6、模型比集中塑性鉸模型計(jì)算精度高，它模擬了構(gòu)件塑性鉸區(qū)域的發(fā)展變化情況。1973年tseng和penzien提出理想彈塑性鉸梁柱單元，在其后的20年中，kawashima, lmbsen和mcguire等人提出了新的考慮運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化的非線性梁柱單元。針對(duì)ac1318-95規(guī)范，abraham c.lynn等人指出，延性設(shè)計(jì)不好的柱子，容易遭受剪切破壞;當(dāng)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)由剪力控制時(shí)，在抗剪的橫向抗力消失后，柱子隨即發(fā)生重力失效。美國學(xué)者ghobarch等人對(duì)地震作用下鋼筋混凝土梁柱結(jié)點(diǎn)的破壞進(jìn)行了研究，并提出了預(yù)防結(jié)點(diǎn)破壞的有效方法。國內(nèi)外還有許多學(xué)者對(duì)鋼筋棍凝土構(gòu)件的非線性特性和破壞過程進(jìn)行了大量的試驗(yàn)

7、與理論研究。4、塑性鉸出現(xiàn)的部位當(dāng)?shù)卣鹱饔糜诮Y(jié)構(gòu)構(gòu)件上并發(fā)生塑性變形時(shí)，該截面上各點(diǎn)均進(jìn)入屈服狀態(tài)。對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件而言，在塑性鉸形成時(shí)，混凝土拉應(yīng)力已達(dá)到屈服狀態(tài)，而鋼筋拉應(yīng)力還未達(dá)到，若受拉變形繼續(xù)變大，在二者的相互作用下，在該接觸部位始終保持一個(gè)“彈性核”，當(dāng)應(yīng)變繼續(xù)加大，鋼筋達(dá)到屈服時(shí)，與混凝土的粘結(jié)力破壞，這時(shí)出現(xiàn)了塑性變形集中區(qū)的塑性鉸，在這個(gè)過程中，塑性鉸要吸收和消耗較多的地震輸人能，而在其他部位則得到一個(gè)相對(duì)安全的保證。因此，塑性鉸一般出現(xiàn)在受力較大的部位，如梁的跨中及根部，柱的端部。塑性鉸發(fā)生位置對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響是通過以下兩方面來實(shí)現(xiàn)的: (1)結(jié)構(gòu)物抗震減震的能力，

8、是通過它的耗能能力來體現(xiàn)的。如果塑性鉸設(shè)置的位置合理，那么結(jié)構(gòu)物就具有良好的抗震能力。(2)塑性鉸設(shè)置的位置可以明顯改變整體結(jié)構(gòu)的剛度。如果塑性鉸設(shè)置的位置使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主頻與地震輸入的主頻相距較大，那么它的抗震性能也是很好的。5、塑性鉸的破壞機(jī)制 梁鉸破壞機(jī)制是指框架梁端的抗彎承載力弱于框架柱端的承載力時(shí)，結(jié)構(gòu)的破壞表現(xiàn)為梁端首先進(jìn)入屈服狀態(tài)，塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)耗散大量地震能量，而各層柱在較長(zhǎng)的時(shí)間里基本處于彈性狀態(tài)，最后才在底層柱根部出現(xiàn)塑性鉸。結(jié)構(gòu)整體圍繞柱根部做剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，就總體而言，結(jié)構(gòu)僅為單自由度體系。 柱鉸破壞機(jī)制是指框架柱的承載力弱于框架梁的承載力時(shí)，在水平荷載作用下，結(jié)構(gòu)破壞表現(xiàn)為柱端

9、進(jìn)入屈服狀態(tài)，而梁仍處于彈性狀態(tài)，在最不利的情況下，可能由于其他各層柱子均相對(duì)較強(qiáng)而僅在其一層形成柱鉸側(cè)移機(jī)構(gòu)，而使整體結(jié)構(gòu)達(dá)到承載能力極限狀態(tài)。 框架結(jié)構(gòu)的變形能力與框架的破壞機(jī)制密切相關(guān)。實(shí)驗(yàn)研究表明，梁先屈服，可使整個(gè)框架有較大的內(nèi)力重分布和能量耗散能力。由上述可見，理想的破壞機(jī)制應(yīng)為最少自由度的機(jī)制，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)使其成為梁鉸型側(cè)移屈服機(jī)構(gòu)，以充分利用梁塑性鉸區(qū)的非彈性變形來耗散地震能量。在抗震設(shè)計(jì)中一方面應(yīng)防止塑性鉸在豎向構(gòu)件上出現(xiàn)，另一方面應(yīng)迫使塑性鉸發(fā)生在水平構(gòu)件上，同時(shí)要盡量推遲塑性鉸在框架柱根部出現(xiàn)。要想更好地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先應(yīng)能準(zhǔn)確地判別一個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制，然后采取不同

10、的措施予以合理的設(shè)計(jì)。6、形成塑性鉸的措施 在地震作用來臨時(shí)，我們希望結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸來吸收地震能量?？刹捎靡韵聨追N措施: (1)對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)，宜采用延性性能好的材料鋼或合理配置鋼筋的鋼筋混凝土而成的延性性能好的構(gòu)件，并以此構(gòu)成延性較好的結(jié)構(gòu)。這樣，當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受罕遇地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)也可依靠鋼材屈服后有足夠的延性，使在彈性后的塑性變形過程中吸收和耗散能量。經(jīng)驗(yàn)表明，大部分抗震結(jié)構(gòu)在中震作用下都進(jìn)入塑性狀態(tài)而耗能，因而能將結(jié)構(gòu)保存下來，不至于倒塌。 (2)要使結(jié)構(gòu)成為延性結(jié)構(gòu)，首先在結(jié)構(gòu)體系上應(yīng)是超靜定的，而不是呈懸臂狀的靜定結(jié)構(gòu)，并且還需要使塑性鉸最先出現(xiàn)在此超靜定結(jié)構(gòu)的次要構(gòu)件或水平構(gòu)件上.然后才

11、出現(xiàn)在主要構(gòu)件或豎向構(gòu)件上，以形成多道抗震防線，延長(zhǎng)非彈性的發(fā)展過程，增大變形能力，吸收和耗散地震能量，提高結(jié)構(gòu)的防倒塌能力。 (3)采用不同的抗震等級(jí)?？赏ㄟ^合理的結(jié)構(gòu)體系、合理布置結(jié)構(gòu)、對(duì)構(gòu)件及其連接采取各種構(gòu)造措施等多方面的努力來提高延性進(jìn)而形成塑性鉸，當(dāng)然施工質(zhì)量好壞對(duì)結(jié)構(gòu)延性也有很大的影響?？拐鸬燃?jí)的劃分主要考慮了地震作用，它包括區(qū)分設(shè)防烈度、場(chǎng)地類別;考慮了結(jié)構(gòu)類型，它包括區(qū)分主、次抗側(cè)力構(gòu)件;還考慮了房屋高度等因素。所以，抗震等級(jí)的劃分在很大程度上發(fā)揮了作用。 (4)結(jié)構(gòu)中有限的延性破壞也要控制，在地震作用下塑性鉸的彎曲屈服對(duì)整個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度、非線性變形以及結(jié)構(gòu)的耗能能力起控制作用

12、。因此，要做到以下幾點(diǎn):控制塑性鉸在某個(gè)恰當(dāng)?shù)牟课怀霈F(xiàn);在塑性鉸區(qū)防止過早出現(xiàn)剪切破壞，即按強(qiáng)剪弱彎設(shè)計(jì)，并防止過早出現(xiàn)錨固破壞(強(qiáng)錨固);在塑性鉸區(qū)改善抗彎及抗剪鋼筋構(gòu)造，控制斜裂縫的發(fā)展，充分發(fā)揮彎曲作用下抗拉鋼筋的延性作用。7、塑性鉸的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中根據(jù)塑性鉸的形成原理人為的設(shè)計(jì)塑性鉸出現(xiàn)的先后順序或者將要出現(xiàn)塑性鉸的截面處用阻尼器裝置代替，使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)能力輸入時(shí)依靠塑性鉸的形成耗能或依靠出現(xiàn)塑性鉸處設(shè)計(jì)的阻尼器耗能從而避免結(jié)構(gòu)的破壞。所謂“強(qiáng)柱弱梁”即有抗震設(shè)防的框架結(jié)構(gòu)中，在地震作用下，能呈現(xiàn)“梁鉸機(jī)制”，使梁端首先出現(xiàn)塑性鉸，避免柱端出現(xiàn)塑性鉸，使整個(gè)框架在地震作用下，具有良好的變

13、形能力。將梁的塑性鉸位置從柱邊移開，通過增加節(jié)點(diǎn)中的輔助縱向鋼筋并使其伸入兩側(cè)梁內(nèi)一定距離，將可能發(fā)生的梁內(nèi)塑性鉸區(qū)段從柱邊移開，使其在距柱邊一個(gè)梁截面有效高度處形成，這樣，在反復(fù)循環(huán)荷載作用下，非彈性變形不會(huì)侵入節(jié)點(diǎn)內(nèi)(塑性鉸產(chǎn)生非彈性效應(yīng)，形成非彈性變形)，這樣框架結(jié)構(gòu)便能在循環(huán)荷載的反復(fù)作用下，仍能保持其總體程度和有效度，另外，由于地震荷載引起的損壞區(qū)段從節(jié)點(diǎn)移開后，對(duì)震害的修復(fù)更加容易，費(fèi)用也較少，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效果。8、結(jié)論（1）塑性鉸形成時(shí)，此刻結(jié)構(gòu)已有很大的塑性變形。（2）塑性鉸形成時(shí)要吸收和消耗較多的地震輸人能，在力學(xué)性能方面可使結(jié)構(gòu)處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的平臺(tái)。（3）在易形成塑性鉸的部位，既希望塑性鉸出現(xiàn)來吸收能量，又要進(jìn)行加強(qiáng)，防止塑性鉸區(qū)范圍過分?jǐn)U大，產(chǎn)生剪切破壞。參考文