高鋼第四章-抗震設(shè)計(jì)

PAGE1PAGE154.2 鋼構(gòu)件、鋼節(jié)點(diǎn)、鋼連接滯回曲線模擬的要點(diǎn)？鋼構(gòu)件、鋼節(jié)點(diǎn)、鋼連接滯回曲線模擬的步驟為：選擇所需要研究的鋼構(gòu)件、鋼節(jié)點(diǎn)、鋼連接的材料、連接形式、具體尺寸及屈相應(yīng)判斷準(zhǔn)則；根據(jù)研究的對象不同，選擇合適的有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）、單元形式和單元數(shù)進(jìn)行有限元模擬；選擇合適的加載制度；將所得的結(jié)果同試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比，判斷模擬準(zhǔn)確與否。在模擬過程中一般要的到以下幾個(gè)曲線：滯回曲線骨架曲線：將滯回曲線各次循環(huán)的力的峰值點(diǎn)連接起來就形成了骨架曲線；滯回曲線包絡(luò)圖：對于每個(gè)試件，包絡(luò)線面積大致代表了在加載到極限位移的一個(gè)加載循環(huán)中，節(jié)點(diǎn)所吸收的能量；加載剛度退化曲線卸載剛度退化曲線；捏縮發(fā)展曲線；現(xiàn)階段有限元模擬中存在的一些問題：由于有限元分析中沒有考慮焊接缺陷等因素的影響，所得到節(jié)點(diǎn)的延性都比較好。因此工程中為保證節(jié)點(diǎn)延性，必須保證節(jié)點(diǎn)梁柱焊接條件，盡可能減少焊接缺陷。適當(dāng)?shù)貙?jié)點(diǎn)進(jìn)行局部構(gòu)造的改進(jìn)，也有利于節(jié)點(diǎn)受力性能的改善，減少節(jié)點(diǎn)焊縫區(qū)域脆性斷裂的可能性；試驗(yàn)中曲線存在下降段，并且即使是同一位移加載，滯回的曲線也不是完全重合，并且隨著滯回圈數(shù)的增加，節(jié)點(diǎn)的卸載剛度也是逐漸降低，說明實(shí)際中鋼材存在強(qiáng)度和剛度退化。退化的程度與其前面的循環(huán)次數(shù)、滯回環(huán)的面積(節(jié)點(diǎn)的耗能能力)、塑性變形均有密切的關(guān)系。但有限元分析中的鋼材強(qiáng)化準(zhǔn)則并沒有考慮退化的現(xiàn)象，并且卸載準(zhǔn)則也是經(jīng)典的彈塑性卸載準(zhǔn)則，并沒有考慮剛度的退化?，F(xiàn)國內(nèi)外均對此進(jìn)行研究，累積損傷主要反映在鋼材的裂紋發(fā)展和斷裂，可定義損傷指數(shù)考慮鋼材在反復(fù)荷載作用下的累積損傷，強(qiáng)度和剛度退化主要反映在構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的屈曲、屈服和斷裂，雖然現(xiàn)在也有很多考慮剛度強(qiáng)度退化的方法及模型，但均沒有一種適用于各種節(jié)點(diǎn)形式的方法，此問題需要進(jìn)一步研究；有限元分析的滯回曲線在彎折的位置高于試驗(yàn)結(jié)果，這由兩方面原因造成：1.因?yàn)樵囼?yàn)中材料缺陷和雜質(zhì)的存在使得彈性承載力比有限元理想材料計(jì)算值低；2.鋼材循環(huán)加載和單向拉伸得到的材性有很大的不同,原因見文獻(xiàn)“NishimuraA，NagasakaT，lnoueN，eta1．Lowcyclefatiguepropertiesofalowactivationferriticsteel(JLF一1)atroomtemperature[J]．JournalofNucle—arMaterials，2000，283(1)：677—680”，循環(huán)加載作用下，鋼材不具有明顯的屈服點(diǎn)，而且曲線過度，而在有限元中輸入的曲線為有明顯屈服點(diǎn)的折線模型，這也導(dǎo)致了彎折處模擬的不夠準(zhǔn)確。4.5 適用于鋼構(gòu)件、鋼節(jié)點(diǎn)、鋼連接的幾種滯回模型和損傷指數(shù)綜述。滯回曲線是在反復(fù)作用下結(jié)構(gòu)的荷載-變形曲線。它反映了結(jié)構(gòu)在反復(fù)受力的過程中的變形特征，剛度退化及能量消耗，是確定恢復(fù)力模型和進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析的依據(jù)。又稱恢復(fù)力曲線。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件滯回曲線的典型形狀一般有四種：梭形、弓形、反S形和Z形。如下圖所示：（a）梭形說明滯回曲線的形狀非常飽滿，反映出整個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的塑性變形能力很強(qiáng)，具有很好的抗震性能和耗能能力。例如受彎、偏壓、壓彎以及不發(fā)生剪切破壞的彎剪構(gòu)件，具有良好塑性變形能力的鋼框架結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的P一△滯回曲線即呈梭形。(b)弓形具有“捏縮”效應(yīng)，顯示出滯回曲線受到了一定的滑移影響。滯回曲線的形狀比較飽滿，但飽滿程度比梭形要低，反映出整個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的塑性變形能力比較強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究性能較好，.能較好地吸收地震能量。例如剪跨比較大，剪力較小并配有一定箍筋的彎剪構(gòu)件和壓彎剪構(gòu)件，一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其滯回曲線均屬此類。(c)反S形反映了更多的滑移影響，滯回曲線的形狀不飽滿，說明該結(jié)構(gòu)或構(gòu)件延性和吸收地震能量的能力較差。例如一般框架、梁柱節(jié)點(diǎn)和剪力墻等的滯回曲線均屬此類。(d)Z形反映出滯回曲線受到了大量的滑移影響，具有滑移性質(zhì)。例如小剪跨而斜裂縫又可以充分發(fā)展的構(gòu)件以及錨固鋼筋有較大滑移的構(gòu)件等，其滯回曲線均屬此類。對于常用的滯回模型的歸類和應(yīng)用見下表1（若看不清請放大）：損傷指數(shù)：損傷指數(shù)是定量的描述構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的破壞程度的物理量，通常選擇結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)的變化來定量的描述結(jié)構(gòu)破壞。構(gòu)件損傷指數(shù)構(gòu)件損傷指數(shù)可以定義為構(gòu)件反應(yīng)歷程中某一累積量與相應(yīng)的指標(biāo)極限允許值之比，通常用D表示。損傷指數(shù)D具有如下性質(zhì)：當(dāng)D=0時(shí)，構(gòu)件完好；當(dāng)D=1時(shí)，結(jié)構(gòu)完全破壞；當(dāng)D處于E[0，1]之間時(shí)構(gòu)件處于不同的損傷程度。從選擇參數(shù)的數(shù)量上可以分為單參數(shù)損傷指數(shù)模型和雙參數(shù)損傷指數(shù)模型。結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)對結(jié)構(gòu)整體的損傷評(píng)價(jià)主要從兩個(gè)方面來考慮：一是將結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體，即一個(gè)大的反應(yīng)體系，通過地震作用前后結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的變化來定義損傷變量，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能；二是對組成結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件按構(gòu)件損傷分析方法分別進(jìn)行計(jì)算、評(píng)價(jià)，然后按一定的權(quán)重系數(shù)將求得的各構(gòu)件損傷指數(shù)進(jìn)行加權(quán)組合得到結(jié)構(gòu)總體損傷指數(shù)。結(jié)構(gòu)在的地震作用下是一個(gè)損傷演化過程，該過程是一個(gè)不可逆的能量耗散過程，因此研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷演化規(guī)律有一定意義，但通常計(jì)算的損傷指數(shù)，只是離散時(shí)間步上的損傷值，我們可以以離散時(shí)間步的損傷值為基礎(chǔ)，采用數(shù)學(xué)擬合的辦法擬合出損傷演化方程，將地震作用下結(jié)構(gòu)的倒塌破壞過程連續(xù)化，全過程的去研究結(jié)構(gòu)的倒塌破壞。4.7 偏心支撐鋼框架的有哪些類型？耗能機(jī)理如何？抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)和應(yīng)注意的問題？國內(nèi)外工程應(yīng)用實(shí)例？鋼結(jié)構(gòu)中框架結(jié)構(gòu)主要的結(jié)構(gòu)形式有抗彎框架（純框架）、中心支撐框架和偏心支撐框架等。其中，抗彎框架具有較大的延性和一定的耗能能力———其耗能主要是通過梁端塑性彎曲鉸的非彈性變形來實(shí)現(xiàn)的，但這種結(jié)構(gòu)形式的剛度較低。中心支撐框架在小震作用下有著很好的性能，主要是由于它具有較大剛度和強(qiáng)度；但在大震作用下，支撐易屈曲失穩(wěn)，造成剛度及耗能能力急劇下降，直接影響結(jié)構(gòu)的整體性能。偏心支撐框架是一種比較理想而經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，它的支撐至少有一端偏高梁柱節(jié)點(diǎn)，直接連在梁上。其支撐與柱之間的一段梁即為耗能連梁。這種形式的框架較好地結(jié)合了前兩者的長處，與抗彎框架相比，它每層加有支撐，具有更大的抗側(cè)剛度及極限承載力；與中心支撐框架相比，它在支撐的一端有耗能連梁，在大震作用下，耗能連梁在巨大剪力作用下，先發(fā)生剪切屈服，從而保證支撐的穩(wěn)定，使得結(jié)構(gòu)的延性好，滯回環(huán)穩(wěn)定，具有良好的耗能能力。下圖即為三種框架形式。偏心支撐鋼框架在彈性階段與中心支撐鋼框架具有相當(dāng)?shù)目箓?cè)剛度，但在火震時(shí)具有更好的延性和耗能能力。根據(jù)支撐形式的不同，偏心支撐鋼框架主要有K型、Y型、D型和V型4種常用的形式，如下圖所示。D型偏心支撐鋼框架構(gòu)造簡單，制作方便經(jīng)濟(jì)，彈性剛度較??；K型支撐的彈性剛度最大，構(gòu)造則較復(fù)雜；V型支撐的剛度小于K型大于D型，而其延性最好，V型支撐其它性能與K型類似；Y型支撐將耗能梁設(shè)于框架梁以外，具有很好的彈性剛度與延性，構(gòu)造上很方便。偏心支撐鋼框架的耗能機(jī)理是：使耗能梁段的剪切屈服在先，從而保護(hù)支撐斜桿不屈曲或屈曲在后。合理的耗能梁段長度及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造能夠使偏心支撐結(jié)構(gòu)體系象框架結(jié)構(gòu)體系一樣表現(xiàn)出很好的延性和耗能能力。下圖展示了三種框架結(jié)構(gòu)的耗能機(jī)理。設(shè)計(jì)要點(diǎn)：使耗能梁段在正常使用階段或小震情況下保持在彈性范圍，而在強(qiáng)震作用下，通過耗能梁段的非彈性變形耗能。在偏心支撐結(jié)構(gòu)體系中，耗能粱段就象電路中的保險(xiǎn)絲一樣，通過塑性變形，有效地限制了支撐中的軸向力，使支撐不屈曲，在強(qiáng)震作用下發(fā)揮其作用。注意要將耗能梁設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)最薄弱的環(huán)節(jié)。消能梁段是偏心支撐框架中耗散能量的主要構(gòu)件，為此需要考慮與相連構(gòu)件的承載能力相匹配、保證其在反復(fù)荷載下具有良好的滯回性能的各項(xiàng)措施。（1）消能梁段的鋼材不應(yīng)采用高強(qiáng)度鋼，而因采用有良好塑性流幅的鋼材。為此，消能梁段鋼材的屈服強(qiáng)度不應(yīng)超過345MPa。（2）為了保證塑性變形能力的充分發(fā)揮，消能梁段及與消能梁段同一跨內(nèi)的非消能梁段，其板件寬厚比不應(yīng)大于下表規(guī)定的限值。表中數(shù)值適用于Q235鋼，其他牌號(hào)鋼材的情況下應(yīng)乘以235偏心支撐框架消能梁段及同跨梁段的板件寬厚比限值（3）支撐斜桿軸力的水平分量成為消能梁段的軸力，當(dāng)此軸力較大時(shí)，除了降低梁段的受剪承載力外，還需降低該梁段的長度，以保證其良好的滯回性能。為此，當(dāng)消能段軸力時(shí)，消能段長度應(yīng)滿足式（8.5.3-1）、（8.5.3-2）的要求。當(dāng)ρ（AwA）<0.3時(shí)，當(dāng)ρ（AwA）<式中：a——消能梁段的長度；ρ=（4）消能梁段腹板不得焊補(bǔ)強(qiáng)鋼板，因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)后腹板難以進(jìn)入塑性。（5）消能梁段腹板不得開孔，腹板開孔將降低梁段的塑性變形能力。（6）消能梁段與支撐斜桿的連接處，應(yīng)在腹板兩側(cè)設(shè)置與腹板高度相等的加勁肋，以傳遞梁段的剪力并防止在支撐斜桿集中力作用下發(fā)生梁腹板的屈曲。一側(cè)加勁肋的寬度不應(yīng)小于（bf/2-tw），厚度不應(yīng)小于0.75tw和10mm中的較大值，bf、tw分別為消能梁段的翼緣寬度和腹板厚度。實(shí)例：貴陽201大廈:貴陽201大廈(觀光綜合樓)位于貴陽市金陽區(qū)，屬于貴陽國際會(huì)議展覽中心城市綜合體的一個(gè)子項(xiàng)，建筑總高度為201m，地上高43層，地下2層。結(jié)構(gòu)大屋面高156m，高寬比為6．7，共有33層，其中裙房有2層，首層高8m，二層為5．5m，31層和32層層高為6m，其余各層均為4．5m。設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，設(shè)計(jì)地震加速度為0．059，場地土類型為I類。安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，耐久性為50年。此樓采用了創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式：鋼偏心支撐筒懸掛結(jié)構(gòu)體系，在國內(nèi)首次將懸掛結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超高層結(jié)構(gòu)。建筑效果圖和偏心支撐圖如下：4.9 你了解哪些結(jié)構(gòu)抗震“保險(xiǎn)絲”概念、構(gòu)造和結(jié)構(gòu)體系？請綜述其特點(diǎn)、最新研究進(jìn)展和工程應(yīng)用現(xiàn)狀。結(jié)構(gòu)抗震“保險(xiǎn)絲”概念是指將結(jié)構(gòu)的某些部位(如支撐、剪力墻、節(jié)點(diǎn)、連接縫或連接件等)設(shè)置成薄弱環(huán)節(jié)，地震時(shí)通過這些薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生變形來耗散或吸收地震能量以減小主體結(jié)構(gòu)的水平和豎向地震反應(yīng)，從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞或倒塌，以達(dá)到減震抗震的目的。1.粘彈性阻尼器減震結(jié)構(gòu)裝設(shè)粘彈性阻尼器減震結(jié)構(gòu)基于性能的抗震設(shè)計(jì)要求建筑物在整個(gè)壽命期內(nèi)，將結(jié)構(gòu)在地震作用下的破損程度控制在預(yù)期的目標(biāo)范圍內(nèi)，并且使抗震花費(fèi)最低。通過改變粘彈性阻尼器的參數(shù)和數(shù)量，可以方便地控制結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。典型的粘彈性阻尼器由兩個(gè)T形約束鋼板夾一塊矩形鋼板組成，T形約束鋼板與中間矩形鋼板接觸面之間夾有一層粘彈性材料，鋼板和粘彈性材料通過硫化的方法使其成為一個(gè)整體。在反復(fù)軸向力的作用下，T形約束鋼板與中間的鋼板之間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，使粘彈性材料產(chǎn)生往復(fù)剪切變形，從而吸收和耗散能量。2.金屬耗能器減震結(jié)構(gòu)由于金屬材料在進(jìn)入彈塑性范圍以后具有良好的滯回性能，因而可以被用來制造各種類型的耗能裝置。將輸入結(jié)構(gòu)的地震能量引向金屬耗能器加以吸收和耗散，從而能夠保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的安全。金屬耗能器大體上有：加勁阻尼耗能裝置Whittaker等人最早研制出X形加勁阻尼耗能裝置(ADAS)；臺(tái)灣Khe-ChyuanTsai等人為了消除X形加勁阻尼耗能裝置豎向軸力對其的影響，設(shè)計(jì)出了三角形加勁阻尼耗能裝置(TADAS)。近些年，臺(tái)灣國立交通大學(xué)的陳清祥等人對美國的Whittaker等人所提出的加勁阻尼耗能裝置(ADAS)作了改進(jìn)，研制出了開孔式耗能裝置(制震板(HADAS))。加勁阻尼耗能裝置是由數(shù)塊相互平行的不同形狀的鋼板(矩形、X形、三角形、開孔形等)和定位裝置組合而成，一般安裝在人字形支撐頂部和框架梁之間，在地震作用下，由于框架層間相對變形引起裝置頂部和底部的水平運(yùn)動(dòng),使鋼板彎曲屈服產(chǎn)生彈塑性滯回變形來耗散地震能量。Bergman和Goel對X型加勁耗能裝置進(jìn)行了性能試驗(yàn)，Tsai等人對三角形加勁耗能裝置進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該類阻尼器具有良好的耗能能力；在很小的變形情況下即可發(fā)揮耗能效果，其穩(wěn)定性和效能也比較好。在國內(nèi)，1995年，歐進(jìn)萍、吳斌等對X形和三角形鋼板屈服耗能器的力學(xué)性能和減震效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出鋼板屈服耗能器基于疲勞性能的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，另外還對鋼板屈服耗能器的“薄膜效應(yīng)”進(jìn)行了研究，進(jìn)一步提出鋼板屈服耗能器考慮“薄膜效應(yīng)”的疲勞驗(yàn)算準(zhǔn)則；李冀龍等分別基于雙線性本構(gòu)關(guān)系和Ramberg-Osgood本構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)建立了X形和三角形鋼板屈服耗能器的恢復(fù)力模型，為該類耗能器的參數(shù)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。邢書濤等還開發(fā)出一種由多片縱截面為中空菱形的矩形鋼板疊加組成的新型鋼板耗能器。李宏男等根據(jù)“利用鋼板平面內(nèi)受力提高初始剛度，并通過改變鋼板平面幾何形狀提高變形耗能能力”的構(gòu)想，開發(fā)研制出“單圓孔鋼板耗能器”和“雙X形鋼板耗能器”，并對這二種軟鋼耗能器進(jìn)行了性能試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。蜂窩狀耗能器蜂窩狀耗能器是由YasushiKurokawa等人開發(fā)研制的，該種耗能器是由蜂窩狀開口的鋼板組成，其中，上下兩端安裝高強(qiáng)螺栓的區(qū)域?yàn)閯傂詤^(qū)，中間的X形腹板為柔性區(qū)，在地震作用下剛性區(qū)只產(chǎn)生微小的變形，而柔性區(qū)會(huì)產(chǎn)生大的變形。這種耗能器改變了以往的加勁阻尼耗能裝置(如X型、三角形等)均采用耗能鋼板平面外受力，利用鋼板彎曲屈服以后產(chǎn)生明顯的塑性變形來耗能減振的方式,而是采用鋼板平面內(nèi)的彈塑性剪切變形耗能減振方式。與平面外鋼板耗能器在相同用鋼量條件相比較，這類耗能器初始剛度較大、承載能力和耗能能力較大。YasushiKurokawa等人對蜂窩狀阻尼器進(jìn)行了性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：該類耗能器的滯回曲線飽滿，具有較高的耗能能力；如果在塑性變形區(qū)按彎曲比例分配各截面的尺寸，就能使在截面全長上都能屈服耗能，其力-位移滯回曲線呈紡錘形。金屬圓環(huán)耗能器周云等設(shè)計(jì)了由低碳鋼鋼板卷成圓環(huán)焊接而成的金屬圓環(huán)耗能器，隨后提出“利用兩個(gè)或多個(gè)耗能元件協(xié)同工作、同時(shí)耗能來設(shè)計(jì)新型耗能器”的構(gòu)想，在金屬圓環(huán)耗能器的基礎(chǔ)上開發(fā)研制出耗能能力更強(qiáng)的“雙環(huán)耗能器”和“加勁圓環(huán)耗能器”。無粘結(jié)支撐無粘結(jié)支撐是由內(nèi)核心鋼板和外方(圓或橢圓)型鋼管之間填灰漿組成，內(nèi)核心鋼板和灰漿之間涂了一層無粘結(jié)材料，以確保核心鋼板上的軸力不傳到灰漿體和外鋼管上，通過灰漿和外鋼管共同作用阻止支撐彎曲，這些組件完美的結(jié)合使該支撐在屈服后能產(chǎn)生穩(wěn)定、對稱的拉壓滯回性能。以前運(yùn)用比較多的是單核心截面無粘結(jié)支撐。近幾年運(yùn)用的主要是由蔡克銓等人研制出的雙核心截面無粘結(jié)支撐，使得無粘結(jié)支撐安裝于結(jié)構(gòu)中更方便。隨著低屈服點(diǎn)鋼的發(fā)展，Cheng-ChengChen等人利用低屈服點(diǎn)鋼制成的構(gòu)件做為無粘結(jié)支撐的核心部分，并對其進(jìn)行了性能試驗(yàn)，結(jié)果表明