鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第三章作業(yè)鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)3.1a 綜述有關(guān)塑性鉸的概念、假設(shè)、適用情形、研究和應(yīng)用進(jìn)展。（重點(diǎn)闡述有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，可以適當(dāng)擴(kuò)展到鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，不要長(zhǎng)篇大論有關(guān)純鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）答：1、概念如果不考結(jié)構(gòu)分析中鋼材應(yīng)變硬化，鋼結(jié)構(gòu)在承受荷載時(shí)，隨著荷載的增大，構(gòu)件的內(nèi)力不斷增大，當(dāng)構(gòu)件的某個(gè)界面達(dá)到極限彎矩，使得構(gòu)件某一區(qū)域截面完全屈服，能夠承受一定的彎矩并能夠有限轉(zhuǎn)動(dòng)，該區(qū)域便成為塑性鉸。 塑性鉸不是集中在一點(diǎn)，而是形成一小段局部變形很大的區(qū)域；塑性鉸為單向鉸，僅能沿彎矩作用方向產(chǎn)生一定限度的轉(zhuǎn)動(dòng)，而理想鉸不能承受彎矩；塑性鉸能承受一定的彎矩，但轉(zhuǎn)動(dòng)能力以及長(zhǎng)度

2、受到荷載、邊界條件和截面幾何等限制。塑性鉸及其性質(zhì)2、假設(shè)簡(jiǎn)單塑性分析（simple plastic analysis）也稱為極限分析（limit analysis），其基本假設(shè)如下：（1） 結(jié)構(gòu)構(gòu)件以彎曲為主，且鋼材是理想的彈塑性體，不考慮鋼材的強(qiáng)化效應(yīng)；（2） 所有的荷載均按同一比例增加，即滿足簡(jiǎn)單加載條件；（3） 假設(shè)結(jié)構(gòu)平面外有足夠的側(cè)向支撐，構(gòu)件的組成板件滿足構(gòu)造要求，能夠保證結(jié)構(gòu)中塑性鉸的形成及充分的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，直到結(jié)構(gòu)形成機(jī)構(gòu)之前，不會(huì)發(fā)生側(cè)扭屈曲，板件不會(huì)發(fā)生局部屈曲。（4） 采用一階分析方法，不考慮二階效應(yīng)。分析時(shí)假設(shè)變形均集中于塑性鉸，塑性鉸間的桿件保持剛性；（5） 繼續(xù)加荷

3、載時(shí)，先出現(xiàn)塑性鉸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)幾何可變。3、適用情形：我國(guó)規(guī)范規(guī)定塑性設(shè)計(jì)適用于不直接承受動(dòng)力荷載的固端梁、連續(xù)梁以及由實(shí)腹構(gòu)件組成的單層和兩層框架結(jié)構(gòu)。考慮到只采用簡(jiǎn)單的塑性理論進(jìn)行分析，所以規(guī)定塑性設(shè)計(jì)只適用于形成破壞機(jī)構(gòu)過程中能產(chǎn)生內(nèi)力重分配的超靜定梁和超靜定實(shí)腹框架。由于變截面構(gòu)件的塑性鉸位置很難確定，目前的塑性設(shè)計(jì)僅適用于等直截面梁和等截面框架結(jié)構(gòu)。一、二層的實(shí)腹框架中，構(gòu)件截面除受彎矩作用外，還有一定的軸心力，因而構(gòu)件實(shí)為壓彎構(gòu)件或拉彎構(gòu)件。軸心力的存在將降低截面所能承受的塑性彎矩。但一、二層框架構(gòu)件中的軸

4、心力一般不大，可以認(rèn)為是以受彎為主，塑性分析時(shí)可略去軸力影響，僅在截面的強(qiáng)度驗(yàn)算中考慮軸力的作用。4、研究進(jìn)展：20 世紀(jì)年代提出的鋼結(jié)構(gòu)高等分析理論，受計(jì)算機(jī)等相關(guān)因素的影響，直到90 年代初才得到較快的發(fā)展，并引起了很多學(xué)者和研究人員的關(guān)注。W.F. Chen 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)高等分析的概念做出了精確的解釋，在塑性鉸分析模型方面作了很多工作，通過彈塑性相關(guān)方程考慮了鋼結(jié)構(gòu)的塑性狀態(tài)，提出了精確的塑性鉸概念，在對(duì)鋼框架的雙重非線性和半剛性連接穩(wěn)定分析作了總結(jié)后，指出了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。J.Y.R. Liew 深入的分析了平面鋼框架的塑性鉸模型后，提出了精化的塑性鉸理論，引入穩(wěn)定函數(shù)推導(dǎo)了空間

5、梁-柱構(gòu)件的切線剛度矩陣，并考慮了弓形效應(yīng)的影響，利用精化的塑性鉸法較為精確的分析了空間框架體系的彈塑性行為，但未考慮構(gòu)件截面翹曲的影響；他還基于塑性區(qū)模型對(duì)空間框架進(jìn)行了彈塑性分析，通過Mises 屈服準(zhǔn)則和相關(guān)流動(dòng)法則機(jī)等向硬化假設(shè)和對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值積分的方法考慮了非線性因素的影響，采用混合單元對(duì)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，由于本構(gòu)方程簡(jiǎn)單，能反映結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后的真實(shí)變化。李國(guó)強(qiáng)、沈祖炎將Giberson 提出的端彈簧模型加以完善和發(fā)展，提出把單元端部轉(zhuǎn)角分解為彈性轉(zhuǎn)角和塑性轉(zhuǎn)角，用來考慮截面的漸變塑性、材料強(qiáng)化和卸載效應(yīng)，只是彈塑性剛度矩陣根據(jù)Drucker 屈服準(zhǔn)則及內(nèi)力屈服面方程導(dǎo)出，很

6、難將屈服端的內(nèi)力保持在屈服面上。舒興平對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性大變形分析，基于有限變形理論及內(nèi)力屈服面塑性流動(dòng)理論推導(dǎo)了精確計(jì)算平面鋼框架結(jié)構(gòu)二階效應(yīng)的非線性剛度方程，計(jì)入剪切變的影響，對(duì)鋼框架進(jìn)行了彈塑性大變形分析，但沒有考慮硬化效應(yīng)、半剛性連接、局部屈曲及彎扭失穩(wěn)等因素的影響，適用性有一定限制，同時(shí)還提出了一種考慮節(jié)點(diǎn)域剪切變形影響的空間鋼框架結(jié)構(gòu)分析方法。徐偉良提出了鋼框架二階彈塑性分析的簡(jiǎn)化塑性區(qū)法和考慮半剛性連接的修正塑性區(qū)法，并將傳統(tǒng)的梁-柱法與有限單元法結(jié)合建立了梁柱簡(jiǎn)化塑性區(qū)單元模式的彈塑性大位移增量剛度矩陣。但他假定截面剛度線性退化，塑性變形僅發(fā)生在桿端附近的局部區(qū)域，沒有考

7、慮剪切變形、局部屈曲和平面外屈曲的影響，不能對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力進(jìn)行很好的模擬。5、應(yīng)用進(jìn)展對(duì)于兩層以上的框架，我國(guó)的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都較少，所以沒有包括在內(nèi)。按簡(jiǎn)單塑性理論分析，不考慮二階效應(yīng)，對(duì)二層以上的框架將產(chǎn)生不利影響。如果設(shè)計(jì)者掌握了二階理論的分析和設(shè)計(jì)方法，并有足夠的依據(jù)時(shí)，也不排除在兩層以上的框架設(shè)計(jì)中采用塑性設(shè)計(jì)。由于動(dòng)力荷載對(duì)塑性鉸的形成和內(nèi)力重分配等的影響，目前研究的還不夠，故規(guī)范限制塑性設(shè)計(jì)法應(yīng)用于直接承受動(dòng)力作用的結(jié)構(gòu)中?？梢栽诮Y(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)塑性鉸的界面處用阻尼器裝置代替，使結(jié)構(gòu)在強(qiáng)能力輸入時(shí)依靠塑性鉸形成耗能

8、，或依靠出現(xiàn)塑性鉸處設(shè)計(jì)的阻尼器耗能，從而避免破壞。如可以借鑒Pushover分析和混凝土構(gòu)件損傷評(píng)估的基本思想對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)估。通過能力譜方法，得到罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移，采用Park-Ang模型計(jì)算結(jié)構(gòu)各層的損傷指數(shù)，并結(jié)合非線性靜力分析的結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性鉸的發(fā)展、分布情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的性能水平進(jìn)行評(píng)估。3.2a 為了滿足塑性設(shè)計(jì)的要求，國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范EC3, BS5950, GB50017-2003, GB 50017-201X(送審稿)分別如何進(jìn)行構(gòu)件截面分類？哪類截面適用于塑性設(shè)計(jì)？答：1、國(guó)外規(guī)范EC3、BS5950對(duì)構(gòu)件截面的分類以構(gòu)件的寬厚比與壓應(yīng)力分布進(jìn)行分類，分為四類

9、。（1）EC3Class1：截面可以形成塑性鉸，并擁有塑性設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，可以用于塑性設(shè)計(jì)；Class2：可以發(fā)展塑性彎矩承載能力，但轉(zhuǎn)動(dòng)能力有限，不宜用于塑性設(shè)計(jì)。Class3：最大受壓纖維可以達(dá)到屈服但局部屈曲限制了塑性彎矩的發(fā)展。不用于塑性設(shè)計(jì)。Class4 ：局部彎矩限制抗彎能力發(fā)揮，使抗彎承載力低于正常水平，用于彈性設(shè)計(jì)時(shí)要考慮局部失穩(wěn)，不用于塑性設(shè)計(jì)。（2）BS5950Class1：截面可以形成塑性鉸，具有轉(zhuǎn)動(dòng)能力。Class2：截面可以發(fā)展塑性彎矩。Class3：截面最大受壓纖維可以達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但不能發(fā)展塑性承載能力。Class4：截面達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，需采取措施以防局部失穩(wěn)

10、。 2、國(guó)內(nèi)規(guī)范GB50017-2003, GB 50017-201X(送審稿)對(duì)構(gòu)件截面的分類（1）GB50017-2003 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)沒有明確給出截面的分類，根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)截面大致可以分為4類，第一類和第二類可用于塑性設(shè)計(jì)，第三類和第四類不用于塑性設(shè)計(jì)。第一類：寬厚比最小，構(gòu)件受彎形成塑性鉸并發(fā)生塑性轉(zhuǎn)動(dòng)，板件仍不會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)，稱塑性設(shè)計(jì)截面，又稱特厚實(shí)截面；第二類：受彎并形成塑性鉸但不會(huì)發(fā)生塑性轉(zhuǎn)動(dòng)，板件也不會(huì)出現(xiàn)局部失穩(wěn)。稱為彈塑性設(shè)計(jì)截面，又稱厚實(shí)截面；第三類：受彎構(gòu)件邊緣纖維達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)板件纖維達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，板件不會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)。這類截面稱為彈性設(shè)計(jì)截面，也稱非厚實(shí)截面；第四類

11、：構(gòu)件受彎時(shí)會(huì)發(fā)生局部失穩(wěn)，應(yīng)利用屈曲后強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，因此這類截面稱為超屈曲設(shè)計(jì)截面，也稱纖細(xì)截面或薄柔截面。（2）GB50017-201X(征求意見稿)：對(duì)于受彎及壓彎構(gòu)件根據(jù)局部屈曲制約截面承載力和轉(zhuǎn)動(dòng)能力的程度，設(shè)計(jì)截面分為S1、S2、S3、S4、S5共5級(jí)。S1、S2、S3級(jí)均可用于塑性設(shè)計(jì)，但S2、S3級(jí)需有限制。S1級(jí)，塑性設(shè)計(jì)截面?？蛇_(dá)全截面塑性，保證塑性鉸具有塑性設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，且在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中承載力不降低。S2級(jí)，塑性屈服強(qiáng)度截面?？蛇_(dá)全截面塑性，但由于局部屈曲，塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力有限。S3級(jí)，部分塑性開展的截面。翼緣全部屈服，腹板可發(fā)展不超過1/4截面高度的塑性。S

12、4級(jí)，彈性屈服強(qiáng)度截面。即邊緣纖維屈服截面，邊緣纖維可達(dá)屈服強(qiáng)度，但由于局部屈曲而不能發(fā)展塑性。S5級(jí)，超屈曲設(shè)計(jì)截面。在邊緣纖維達(dá)屈服應(yīng)力前，腹板可能發(fā)生局部屈曲。3、適用于塑性設(shè)計(jì)的截面（這點(diǎn)上文也有提及）：塑性設(shè)計(jì)的前提是在梁、柱等構(gòu)件中必須形成塑性鉸，且在塑性鉸處承受的彎矩等于構(gòu)件的塑性彎矩，而且在塑性鉸充分轉(zhuǎn)動(dòng)、使結(jié)構(gòu)最終形成破壞結(jié)構(gòu)之前，塑性鉸承受的彎矩值不得降低。如果組成構(gòu)件的板件寬厚比過大，可能在沒達(dá)到塑性彎矩之前就發(fā)生了局部屈曲，或者雖然在達(dá)到塑性彎矩形成塑性鉸之前沒有發(fā)生局部屈曲，但是有可能在塑性鉸沒來得及充分轉(zhuǎn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分配并形成機(jī)構(gòu)之前，板件在塑性階段就發(fā)生了局部

13、屈曲，使塑性彎矩降低。因此，要保證塑性鉸截面有充分的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，就必須對(duì)板件的寬厚比給以較常規(guī)設(shè)計(jì)更嚴(yán)格的限制。下表是GB50017-2003規(guī)范對(duì)塑性設(shè)計(jì)截面板件的寬厚比規(guī)定：3.3b 簡(jiǎn)述剪力和鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線強(qiáng)化對(duì)受彎截面的極限抗彎承載力的影響。答：1、除純彎曲段外，一般的截面都有剪力。在塑形設(shè)計(jì)中，在受彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件中，剪力的存在會(huì)加速塑性鉸的形成，降低受彎截面的極限抗彎承載力。在彎曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用下發(fā)生屈服的條件表達(dá)式為：其中，fvy-純剪屈服強(qiáng)度正應(yīng)力和剪應(yīng)力的應(yīng)力值都不可能達(dá)到其完全屈服值，除非其中另一項(xiàng)的應(yīng)力為零。因此以工字型梁截面為例，有剪應(yīng)力存在時(shí)，彎曲正應(yīng)力的極

14、限分布情況只能如下圖所示，中部正應(yīng)力未達(dá)到屈服強(qiáng)度，板區(qū)域才能負(fù)擔(dān)剪應(yīng)力。當(dāng)塑性鉸形成時(shí)，可以假定剪應(yīng)力呈拋物線分布，且中點(diǎn)最大剪應(yīng)為Fvy。由此可得有剪應(yīng)力存在時(shí)的截面極限彎矩為：Mp-截面全塑性的極限彎矩分析可知，當(dāng)剪應(yīng)力存在會(huì)加速塑性鉸的形成，剪應(yīng)力越大,為了承擔(dān)剪應(yīng)力中部正應(yīng)力未達(dá)到屈服強(qiáng)度的區(qū)域高度z就越大，有剪應(yīng)力存在時(shí)的截面極限彎矩就越小。2、由于鋼材實(shí)際上并非理想彈塑性體，而是有d-e強(qiáng)化階段的，如下圖鋼材應(yīng)力應(yīng)變曲線鋼材屈服后，其在達(dá)到最大承載力之前，其強(qiáng)度仍然可以提高。因此，塑性鉸截面處的鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線強(qiáng)化部分對(duì)塑性彎矩有提高作用。如果考慮鋼材的強(qiáng)化階段的影響，這能夠提

15、高受彎截面的極限抗彎承載力。這部分有利的影響可以抵消剪力的存在對(duì)塑性鉸彎矩的降低作用。所以，受彎構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，在滿足下公式（3.3.1）的前提下，仍可采用公式(3.3.2)計(jì)算受彎構(gòu)件的彎曲強(qiáng)度。受彎構(gòu)件的剪力V假定由腹板承受，剪切強(qiáng)度應(yīng)符合下式要求： （3.3.1） 上兩式中：Wpnx對(duì)x軸的塑性凈截面模量； hw、tw腹板的高度和厚度； f、fv鋼材的抗彎和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。彎矩Mx（對(duì)H形和工字形截面x軸為強(qiáng)軸）作用在一個(gè)主平面內(nèi)的受彎構(gòu)件，其彎曲強(qiáng)度應(yīng)符合下式要求： （3.3.2）3.4b 鋼框架結(jié)構(gòu)塑性分析需要考慮哪些初始缺陷？設(shè)計(jì)中可選用哪些等效方法和修正分析結(jié)果的方法？答：1、

16、需要考慮的初始缺陷框架的整體偏移和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初始偏心。2、等效方法（1）等效水平力法：對(duì)框架結(jié)構(gòu)的初始偏移用等效水平力進(jìn)行等效計(jì)算，施加方向可以考慮荷載的最不利組合。如在GB 50017-201X中，對(duì)框架結(jié)構(gòu)的初始偏移采用等效水平力的方法。如下圖：此外，對(duì)于鋼框架還有一階彈性分析、二階彈塑性分析、二階彈性分析、剛塑性整體分析、理想彈塑性整體分析等分析方法。根據(jù)框架支撐及側(cè)移類型選擇合適的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于有側(cè)移的結(jié)構(gòu)要采用二階分析。（2）二階彈塑性分析：考慮剛度退化、穩(wěn)定性降低、殘余應(yīng)力、幾何缺陷效應(yīng)、荷載對(duì)變形的二階效應(yīng)等多種因素來分析框架-變形路徑直至結(jié)構(gòu)喪失穩(wěn)定，稱為先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法實(shí)用化：以每一根桿件作為單元，其截面無需劃分為小單元，從而減少工作量，稱為改善的塑性鉸法。 （3）二階彈性分析：進(jìn)一步簡(jiǎn)化二階彈塑性分析，采取附加措施來照顧因塑性出現(xiàn)而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)剛度下降，使用二階彈性分析取代彈塑性分析