高等鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計及抗震作業(yè)

1、高等鋼結(jié)構(gòu)原理第三、四章學(xué)生作業(yè)系 （所）：建筑工程系學(xué) 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(guān)各種改進(jìn)塑性鉸法、各種塑性區(qū)方法的研究和應(yīng)用進(jìn)展。1. 改進(jìn)塑性鉸法對于主要發(fā)生彈性屈曲的細(xì)長構(gòu)件，彈塑性鉸法與塑性區(qū)法計算結(jié)果符合很好；然而對于發(fā)生較大屈服并伴隨塑性擴(kuò)展的粗短構(gòu)件，由于忽略了屈服沿構(gòu)件的擴(kuò)展，不能考慮構(gòu)件因漸進(jìn)屈服過程造成的剛度削弱，用彈塑性鉸法預(yù)測構(gòu)件承載能力誤差較大，所以許多學(xué)者提出了改進(jìn)塑性鉸法。prakash等改進(jìn)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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(guān)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(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。liew等使用的改進(jìn)塑性鉸法中，殘余應(yīng)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(gòu)件低估其屈服強(qiáng)度最大達(dá)7%。chen等所用的改進(jìn)塑性鉸法用穩(wěn)定函數(shù)考慮幾何二階效應(yīng)，crc切線模量考慮殘余應(yīng)力，同時也提出了處理幾何缺陷的具體方法1。但應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(gòu)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(jié)構(gòu)體系及其構(gòu)件承載能力和穩(wěn)定性計算的較高精度。經(jīng)過多年的研究，改進(jìn)塑性鉸法在分析二維框架的平面內(nèi)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(jìn)行平面內(nèi)分析，再進(jìn)行考慮殘余應(yīng)力和初始幾何缺陷的基于非線性側(cè)向屈曲分析的實用高級分析。這方面的例子見文獻(xiàn)4,5。文獻(xiàn)4用lrfd公式計算不同側(cè)向支撐長度下的側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲強(qiáng)度，如果無側(cè)向支承的長度超過發(fā)生全截面（面內(nèi)）屈服的

4、極限長度，則用側(cè)向（彈性或非彈性）扭轉(zhuǎn)屈曲強(qiáng)度代替全截面屈服強(qiáng)度，代入考慮軸向力與彎矩相關(guān)作用的截面塑性強(qiáng)度公式（aisc-lrfd雙線性相關(guān)公式）。文獻(xiàn)5分別進(jìn)行平面內(nèi)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(yīng)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(xiàn)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(jìn)塑性鉸法高級分析其他有關(guān)問題的研究也取得了進(jìn)展。chen等研究了鋼框架的半剛性連接問題，使得結(jié)構(gòu)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(jìn)一步研究了考慮局部屈曲效應(yīng)、應(yīng)變反轉(zhuǎn)的方法以及有關(guān)弱軸彎曲

5、的處理辦法。關(guān)于改進(jìn)塑性鉸法在抗震設(shè)計中的應(yīng)用方法可參考文獻(xiàn)8。改進(jìn)塑性鉸法可以考慮二階效應(yīng)、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(jī)程序?qū)︿摽蚣苓M(jìn)行整體分析，并且具有對計算機(jī)性能要求不高、計算省時同時又可以滿足工程設(shè)計精度要求等優(yōu)點，有可能取代當(dāng)前各國規(guī)范普遍采用的基于單構(gòu)件設(shè)計的方法，成為實用的二階非線性鋼框架設(shè)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(yīng)，對局部變形、翹曲與軸向力和彎矩間的相關(guān)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(yīng)和屈曲后效應(yīng)。2. 塑性區(qū)方法塑性區(qū)法用于結(jié)構(gòu)分析

6、較早，國內(nèi)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(jié)果被廣泛用作檢驗框架分析精確程度的標(biāo)準(zhǔn)。2000年，avery分析了非緊湊型截面框架，給出了詳細(xì)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(jìn)行三維鋼框架非線性分析，用塑性擴(kuò)展模型模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件，考慮了殘余應(yīng)力、初始缺陷以及壓力、彎曲和扭轉(zhuǎn)的耦合效應(yīng)，但限制局部屈曲，不能考慮側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲。其所編制的計算機(jī)程序要達(dá)到塑性鉸法程序相同的精度，需要將構(gòu)件劃分為7個單元，這也證實了塑性鉸法的效率。國內(nèi)的王孟鴻采用薄壁構(gòu)件理論考慮了構(gòu)件截面翹

7、曲的影響，進(jìn)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(jié)構(gòu)非線性分析，并且在理論分析基礎(chǔ)上編制了實用的三維空間鋼結(jié)構(gòu)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(gòu)件劃分為若干段、若干片（截面），再細(xì)分為若干條（纖維），可考慮正應(yīng)力和整體初始幾何缺陷對塑性發(fā)展的影響。結(jié)構(gòu)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(shè)計中還不能應(yīng)用，只限于以下幾個方面：1）鋼結(jié)構(gòu)細(xì)部特性研究；2)驗證簡化方法的精度；3）對比試驗結(jié)果；4）導(dǎo)出設(shè)計公式和實用圖表；5）特殊的設(shè)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(yīng)力和剪應(yīng)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(jié)構(gòu)，并運(yùn)用復(fù)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(jié)構(gòu)分析以及需要考慮結(jié)構(gòu)局部板件失穩(wěn)和屈曲等細(xì)部特性。很多學(xué)者認(rèn)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(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣十分龐大，在計算機(jī)計算分析過程中會導(dǎo)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(fèi)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(jī)性能的快速提高，用這種方法進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)的分析和輔助設(shè)計是可能的9。3.2c 國外鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范(ec3)如何進(jìn)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(qiáng)度分類兩種方法。1按剛度分類通過其初始轉(zhuǎn)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(jié)果、先前類似情況的經(jīng)驗或基于實測數(shù)據(jù)的計算分析對節(jié)點進(jìn)行分類。（1）基本要求1）剛性節(jié)點應(yīng)具有足夠的轉(zhuǎn)動剛度以便結(jié)構(gòu)分析時可認(rèn)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(yīng)看作半

10、剛性節(jié)點。半剛性節(jié)點應(yīng)能夠通過節(jié)點的設(shè)計彎矩轉(zhuǎn)角特性來預(yù)計構(gòu)件相互作用的程度。同時，半剛性節(jié)點應(yīng)能夠傳遞內(nèi)力和彎矩。3）名義鉸接節(jié)點，需要能夠傳遞內(nèi)力，但是不傳遞明顯的彎矩，以至對構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體造成不利影響。同時，名義鉸接節(jié)點應(yīng)能夠承受設(shè)計荷載產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(dāng)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(cè)移的框架結(jié)構(gòu)；，適用于其他框架結(jié)構(gòu)，假設(shè)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(dāng)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(yīng)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(cè)移且變形的影響可忽略的框架結(jié)構(gòu)中，柱基可看成剛性節(jié)點。當(dāng)框架結(jié)構(gòu)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(xì)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(qiáng)度分類通過節(jié)點抗彎承載力設(shè)計值和與其相連的構(gòu)件的抗彎承載力設(shè)計值的比較，節(jié)點可分為全強(qiáng)度節(jié)點、名義鉸接節(jié)點、部分強(qiáng)度節(jié)點。（1）名義鉸接節(jié)點名義鉸接節(jié)點應(yīng)能夠傳遞內(nèi)力，

12、但是不產(chǎn)生明顯的對構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體造成不利影響的彎矩。當(dāng)節(jié)點具有足夠的轉(zhuǎn)動能力，但其抗彎承載力設(shè)計值（）不大于全強(qiáng)度節(jié)點的抗彎承載力設(shè)計值的0.25倍時，應(yīng)看作名義鉸接節(jié)點。（2）全強(qiáng)度節(jié)點全強(qiáng)度節(jié)點的抗彎承載力設(shè)計值應(yīng)不小于與其相連的構(gòu)件的抗彎承載力設(shè)計值。如果某節(jié)點滿足圖3.1中的準(zhǔn)則，可認(rèn)為此節(jié)點為全強(qiáng)度節(jié)點。3.2 全強(qiáng)度節(jié)點圖（3）部分強(qiáng)度節(jié)點既不滿足全強(qiáng)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(qiáng)度節(jié)點10。3.3b 簡述剪力和鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線強(qiáng)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(gòu)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(yīng)

13、力最大值的點和剪應(yīng)力最大值的點一般不在同一位置。在邊緣屈服準(zhǔn)則下，正應(yīng)力和剪應(yīng)力的強(qiáng)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(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力和較大的剪應(yīng)力，這時可根據(jù)材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論來判斷這些點是否達(dá)到屈服。計算公式如下： （3.3）在邊緣屈服準(zhǔn)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(dá)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(guān)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(xiàn)對受彎受剪截面的強(qiáng)度作了理論分析。在工程常用截面的范圍內(nèi)，當(dāng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線強(qiáng)化的影響鋼材實際應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不是完全彈塑性，而是具有強(qiáng)化階段（）。截面上彎距和剪力都大時，很快進(jìn)入該階段，使極限彎距大于?？紤]鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線強(qiáng)化的影響，的存在不會降低，甚至提高。這已經(jīng)在許多試驗中已證明了。3.4c 什么是merchant-rankine破壞準(zhǔn)則？如何應(yīng)用merchant-rankine破壞準(zhǔn)則來修正一階剛塑性分析和一階彈塑性分析結(jié)果？1 merchant-rankine破壞準(zhǔn)則的定義merchant-rankine破壞準(zhǔn)則（式3.5）是

15、預(yù)測結(jié)構(gòu)的屈曲趨勢導(dǎo)致其承載能力降低到低于其塑性極限承載力的程度的準(zhǔn)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(jié)構(gòu)上施加的總荷載設(shè)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(yīng)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(yīng)用merchant-rankine破壞準(zhǔn)則檢驗結(jié)構(gòu)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(gòu)件的穩(wěn)定性。1 merchant-rankine破壞準(zhǔn)則的應(yīng)用（1）對一階彈塑性分析結(jié)果的修正通過引入系數(shù)，merchant-rankine破壞準(zhǔn)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(jié)果的修正應(yīng)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(nèi)部彎矩和內(nèi)力，以產(chǎn)生一系列的內(nèi)力來驗算構(gòu)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(xiàn)：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

19、l of constructional steel research, 2002, 58:14311453.5 k. wongkaew, w.-f. chen. consideration of out-of-plane buckling in advanced analysis for planar steel frame designj. journal of constructional steel research, 2002, 58:943965.6 j.y. richard liew, l.k. tang. advanced plastic hinge analysis for t

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(jìn)塑性鉸法j. 建筑中文網(wǎng)，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(yáng)驥，陳以一. 鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yán)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(fù)荷

23、，其連接焊縫處于三向拉伸的應(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)值高出很多，以致塑性不能開展。（7）焊接殘余應(yīng)力引起的應(yīng)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(jìn)措施：1）除掉下翼緣的襯墊板，進(jìn)行清根和補(bǔ)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(shù)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(jìn)措施只能減緩焊縫開裂，沒有降低梁翼緣超負(fù)荷狀態(tài)。（2）利用保險絲的概念，在節(jié)點之外設(shè)置一個薄弱環(huán)節(jié)。在大震來臨時，薄弱截面進(jìn)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(yīng)能承受按彈性設(shè)計的多遇地震組合下的組合內(nèi)力。圖4.3 骨形連接1為進(jìn)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(jìn)行適當(dāng)設(shè)計，使得梁在一個較長的區(qū)段（同步塑性區(qū)）能同步地進(jìn)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(shè)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(shè)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(qiáng)梁與柱連接的截面，如在梁端加腋（圖4.5a）、在翼緣外側(cè)加蓋板（圖4.5b）、擴(kuò)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(qiáng)梁端截面1,3評價：這種方案比較適宜于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的加固。增強(qiáng)部分可以如圖所示在工地用焊縫連接，也可以改用高強(qiáng)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(nèi)設(shè)幾道高強(qiáng)度后張鋼索，使梁與柱之間產(chǎn)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(dá)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(dān)耗能任務(wù)。震后損壞的只是角鋼，易修復(fù)。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(yán)格控制焊接工藝操作

27、，重要的部位由技術(shù)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(gòu)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(gòu)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(qiáng)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(qiáng)度退化。它們的表現(xiàn)形式、特點及應(yīng)用見表4.1.表4.1 常用滯回模型的歸類及應(yīng)用4此外，國內(nèi)外學(xué)者還提出了很多考慮損傷的滯回模型。如文獻(xiàn)5針對“強(qiáng)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(dǎo)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(gòu)件、鋼節(jié)點、鋼連接的損傷指數(shù)d的因素相當(dāng)復(fù)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(gòu)件變形方面，應(yīng)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(jié)構(gòu)的受損程度。損傷指數(shù)對構(gòu)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(dāng)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(yīng)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(yīng)變等效假設(shè)，成為連續(xù)損傷力學(xué)的重要理論基礎(chǔ)。這一假設(shè)是：損傷單元在應(yīng)力作用下的應(yīng)變與無損單元在有效應(yīng)力作用下的應(yīng)變相同，即對于一維線彈性材料： (4.3)其中為材料應(yīng)變，e為材料彈性模量，d為損傷指數(shù)。和分別為名義應(yīng)力和有效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)的剩余剛度和強(qiáng)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(gòu)件，其單循環(huán)加載時的滯回曲線如圖4.7。中等長細(xì)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(dá)a點時，構(gòu)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(gòu)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(dá)c點時，構(gòu)件截面受拉最大處開始發(fā)展塑性6。當(dāng)構(gòu)件恢復(fù)原長后，剛

31、度又有所上升，直至達(dá)到e點時接近全截面受拉屈服。ef段支撐進(jìn)入塑性拉伸變形階段，而在f點后支撐開始彈性卸載并進(jìn)入下一循環(huán)。由于包辛格效應(yīng)和殘留的側(cè)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(xì)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(shè)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(yīng)考慮支撐受拉屈服、受壓屈曲、往復(fù)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(yīng)、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(zhǔn)確考慮塑性鉸區(qū)局部屈曲及截面變形引起的退化效應(yīng)，但在框架支撐結(jié)構(gòu)整體分析中應(yīng)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(jié)構(gòu)抗震“保險絲”概念、構(gòu)造和結(jié)構(gòu)體系？請綜述其特點、最新研究進(jìn)展和工程應(yīng)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(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，起到“保險絲”的作用。阻尼器根據(jù)耗能機(jī)理的不同，可分為速度相關(guān)型、位移相關(guān)型和速度-位移相關(guān)型（復(fù)合型）。（1）速度相關(guān)型阻尼器，從小振幅到大振幅都可以產(chǎn)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(guān)。（2）位移相關(guān)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(fù)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(fù)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(jī)制設(shè)計而成的新型消能減震裝置。已研發(fā)的

34、一些復(fù)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(jì)大學(xué)新土木大樓中的應(yīng)用。（a） （b） （c）（d） （e） （f）圖4.9 消能器應(yīng)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(jī)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(qiáng)度低、強(qiáng)度穩(wěn)定、變形能力強(qiáng)，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(nèi)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(fù)合墻空格內(nèi)的小型軟鋼消能器；低周往復(fù)加載試驗結(jié)果表明彎剪型鋼耗能器既能提高耗能器的側(cè)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(shè)計公式；擬靜力試驗結(jié)果表明拋物線外形軟鋼消能器有效地避免應(yīng)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(yīng)的力學(xué)分析模型。鋼消能器已在新建建筑的減震設(shè)計和既有建筑的減震加固維修中得到較廣泛應(yīng)用。在日本，低屈服點鋼剪切板和蜂窩狀消能器的應(yīng)用較多。在美國和墨西哥，x型加勁阻尼裝置得到較多應(yīng)用。在中國大陸和臺灣，（hadas）制震板得到較廣泛應(yīng)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(zhì)上是將各式阻尼器用在支撐系統(tǒng)上的耗能構(gòu)件，在地震作用下，耗能支撐先進(jìn)入塑性變形階段，消耗部分地震能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，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(qiáng)螺栓-鋼板摩擦阻尼器用于支撐構(gòu)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(fēng)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(jié)構(gòu)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(gòu)造；（b）節(jié)點板構(gòu)造（3）耗能隅撐耗能隅撐是在偏心支撐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的（圖4.14）。隅撐兩端剛接在梁、柱或基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)次要構(gòu)件上，在保證結(jié)構(gòu)主要構(gòu)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(chǎn)生較大塑性變形，震后修復(fù)費(fèi)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(jié)構(gòu)12（4）屈曲約束支撐（brb）傳統(tǒng)的支撐在受壓時會產(chǎn)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(gòu)件，核心支撐和約束構(gòu)件間能自由滑動（圖4.15），工作時，僅核心支撐與框架結(jié)構(gòu)相連，而約束構(gòu)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(dá)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(gòu)件）在上海世博中心工程中的應(yīng)用。2010年汪大綏等人對世博中心工程中采用的brb進(jìn)行了研究。足尺試驗結(jié)果表明，brb的承載力因應(yīng)變強(qiáng)化和受壓而提高，而且不同廠家的產(chǎn)品性能有一定差別，制定統(tǒng)一的

39、產(chǎn)品驗收標(biāo)準(zhǔn)是必要的；靜力彈塑性分析和彈塑性動力時程分析結(jié)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(jié)構(gòu)具有較好抗震性能13。20092012年，廣州大學(xué)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(dǎo)致其設(shè)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(dāng)于其他部分加強(qiáng)”的屈曲約束支撐設(shè)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(shè)計方案，對其進(jìn)行了試驗研究與有限元模擬，并提出其設(shè)計方法。圖4.17 典型結(jié)構(gòu)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(yīng)用，目前已經(jīng)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(yīng)用，目前已經(jīng)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(yīng)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(biāo)記的梁段），一般比支撐斜桿的承載力低，同時具有在重復(fù)荷載作用下良好的塑性變形能力。在風(fēng)載或小震作用下，支撐不屈服，偏心支撐能提供很大的

41、側(cè)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(jié)構(gòu)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(xué)的fortney和辛辛那提大學(xué)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(shè)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(shè)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(gòu)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(shè)計不僅可

42、以有效保護(hù)主體結(jié)構(gòu)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(gòu)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(chǔ)之間，分別與上面的框架和由基礎(chǔ)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(gòu)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(qiáng)度和彈性剛度，地震運(yùn)動中的應(yīng)變速率對鋼結(jié)構(gòu)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(shè)計了一種新型的鋼支撐搖擺框架結(jié)構(gòu)，基底可以自由轉(zhuǎn)動，框架底部

43、與基礎(chǔ)是分離的，在轉(zhuǎn)動過程中通過垂直設(shè)置的預(yù)應(yīng)力鋼索使其恢復(fù)原位，鋼構(gòu)件“保險絲”（抗剪消能鍵）在框架的來回轉(zhuǎn)動過程中耗散地震能量。研究人員設(shè)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(jié)束后沒有殘余變形，而且修復(fù)方便；并且經(jīng)過特別設(shè)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(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型抗側(cè)力構(gòu)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(biāo)，讓鋼板盡可能的保持在平面內(nèi)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(jié)構(gòu)體系由內(nèi)嵌鋼板和邊緣構(gòu)件（框架梁、柱以及加勁板件）構(gòu)成，內(nèi)嵌鋼板通常與框架梁、柱同時連接以在整體上構(gòu)成抗側(cè)力體系，該結(jié)構(gòu)體系可視為固定在