鋼結(jié)構(gòu)的延性設(shè)計-結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的若干基本概念

1、第四章 鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計Ductile Design of Steel Structures結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的若干基本概念 鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念一、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的三準(zhǔn)則 小震不壞 中震可修3 大震不倒剛度準(zhǔn)則延性準(zhǔn)則強度準(zhǔn)則 鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念一、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的三準(zhǔn)則 小震不壞剛度準(zhǔn)則 設(shè)計者必須保證當(dāng)?shù)匕l(fā)生十年至十五年出現(xiàn)一次的小地震時，建筑物應(yīng)無任何破壞。如何防止較脆的且只能承受有限變形的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生破壞必須限制結(jié)構(gòu)的彈性位移，如層間位移等鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念一、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的三準(zhǔn)則2 中震可修強度準(zhǔn)則 對于不常發(fā)生的中等地震，允許有一些非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到損壞。但必須避免結(jié)構(gòu)的某些不

2、為由于大的非彈性變形而損壞，以免昂貴而又困難的修復(fù)工作在地震動荷載下總的結(jié)構(gòu)反應(yīng)必須是彈性的鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念一、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的三準(zhǔn)則3 大震不倒延性準(zhǔn)則 設(shè)計者要保證在使用期限內(nèi)不會由于罕遇地震（最大地震力）而倒塌，允許有極大的經(jīng)濟損失。結(jié)構(gòu)必須具有相當(dāng)大的非彈性變形能力鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念二、抗震設(shè)計的目標(biāo)1 可行的能量耗散機構(gòu)塑性變形耗能 I ：建立希望出現(xiàn)的塑性鉸次序；II： 依據(jù)I，給予每個構(gòu)件適當(dāng)?shù)膹姸龋员ＷC 結(jié)構(gòu)的塑性鉸旨在選擇的位置出現(xiàn)。鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念二、抗震設(shè)計的目標(biāo)2 抗震設(shè)計概念抗震設(shè)計基本原理的核心：在不可預(yù)見的激烈的地面運動中，在結(jié)構(gòu)內(nèi)選擇一個特

3、定的耗能方式，即要求設(shè)計能夠保證在發(fā)生大震時一個建筑物一定會怎樣反應(yīng)而非通過抗震分析，估計一個建筑物可能會怎樣反應(yīng)構(gòu)造鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念二、抗震設(shè)計的目標(biāo)3 能量耗散機構(gòu)的選擇 不同的結(jié)構(gòu)體系的適宜能量耗散機構(gòu)可能有所不同。舉例：多層框架結(jié)構(gòu) 塑性鉸必須產(chǎn)生在所有的梁上強柱弱梁但 柱應(yīng)比梁強多少，規(guī)范未定? 鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念二、抗震設(shè)計的目標(biāo)3 能量耗散機構(gòu)的選擇 通常做法：I ：先選擇一些構(gòu)件，使之耗能；II： 其它構(gòu)件則被予以足夠強度，以保證已 經(jīng)確定的耗能方式。鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性0 延性概念的引入 i ：動力分析表明:理論分析的彈性反應(yīng)慣性力要比設(shè)計規(guī)范

4、對地震荷載下建議的側(cè)向力大很多，差值幾乎無法用安全系數(shù)調(diào)和；ii：但按規(guī)范設(shè)計的結(jié)構(gòu)大多數(shù)經(jīng)受住了地震的考驗iii：反常的原因，結(jié)構(gòu)通過了非彈性變形吸震和耗能延性鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性1 基本概念 所謂一個結(jié)構(gòu)具有延性行為是指它能夠承受較大的非彈性變形，而強度并不顯著降低，故不至引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)和倒塌 鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性* 延性概念的發(fā)展 材料的角度： 材料能夠抵抗較大的非彈性變形而不降低其強度的能力鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性* 延性概念的發(fā)展材料的角度： 1964年, ASM（the Metal Handbook of the American

5、Society for Metals)定義“延性”為金屬產(chǎn)生塑性變形而不產(chǎn)生裂縫的能力“Ductility” as “the ability of a material to deform plastically without fracture鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性* 延性概念的發(fā)展材料的角度： “brittleness” as “the quality of a material that leads to crack propagation without plastic deformations與“延性”相對應(yīng)，“脆性”則為鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性* 延性

6、概念的發(fā)展根據(jù)上述概念，過去的觀點一直認(rèn)為：鋼材是目前建筑材料延性最好的，因此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，想當(dāng)然地利用了鋼材的塑性變形能力；但是，事實表明：僅僅材料的良好延性并不能保證結(jié)構(gòu)獲得應(yīng)具備的延性。Material ductility alone is not a guarantee of ductile structural when steel components and connections can fail in brittle manner 材料的延性 結(jié)構(gòu)的延性鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性* 延性設(shè)計的起源和發(fā)展1860s，Luder在實驗中發(fā)現(xiàn)受拉試件超過彈性極限時會

7、在其表面出現(xiàn)塑性鉸線；1868，Tresca1870s，SaintVenant發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象1886，Bauschinger進(jìn)行了生鐵試件的非彈性循環(huán)實驗隨后，其與Tetmajer一起進(jìn)行了生鐵柱在塑性范圍內(nèi) 的屈曲實驗，提出了在當(dāng)時歐洲廣泛應(yīng)用的柱 強度經(jīng)驗公式鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性* 延性設(shè)計的起源和發(fā)展在20世紀(jì)的上半葉，學(xué)者們開始關(guān)注鋼材與鋼構(gòu)件截 面上的塑性性能；1914年，有一些相關(guān)的實驗報告出來，這些研究活動 主要集中在德國例如：現(xiàn)在被廣泛采用的Von-Mises (Huber-Hency-Mises) 屈服準(zhǔn)則就是源于1904，1913，1925年的研究成果

8、鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性* 延性設(shè)計的起源和發(fā)展在20世紀(jì)的50s和60s，是這一領(lǐng)域相關(guān)研究的鼎盛時期其中以美國和英國的學(xué)者最為活躍，他們集合了其它國家學(xué)者的成果，給出了塑性設(shè)計與分析的工具，以替代當(dāng)時的容許應(yīng)力法（allowable stress method)此后，進(jìn)一步的分析和實驗研究則不僅針對構(gòu)件的極限承載力，也開始針對整個結(jié)構(gòu)體系。American Institute of Steel Construction 當(dāng)時的設(shè)計方法和條文目前仍在沿用Canada Institute of Steel Construction鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性* 延性設(shè)計

9、的起源和發(fā)展在20世紀(jì)的60s以前，塑性設(shè)計并無抗震內(nèi)容當(dāng)抗震成為人們關(guān)注的熱點后，研究方向主要朝兩個方向發(fā)展：一、建立更加完善的構(gòu)件模型，把精力主要放在構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性上，當(dāng)支撐設(shè)置適當(dāng)，失穩(wěn)與塑性可能同時發(fā)生。二、發(fā)展設(shè)計方法和構(gòu)造措施，以使結(jié)構(gòu)在地震荷載下發(fā)生循環(huán)非彈性變形和能保持穩(wěn)定的塑性行為。需要構(gòu)造措施保證在此之前不發(fā)生失穩(wěn)破壞。延性十分重要鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性* 延性設(shè)計的起源和發(fā)展一、建立更加完善的構(gòu)件模型，把精力主要放在構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性上，當(dāng)支撐設(shè)置適當(dāng)，失穩(wěn)與塑性可能同時發(fā)生。二、發(fā)展設(shè)計方法和構(gòu)造措施，以使結(jié)構(gòu)在地震荷載下發(fā)生循環(huán)非彈性變形和能保持穩(wěn)

10、定的塑性行為。需要構(gòu)造措施保證在此之前不發(fā)生失穩(wěn)破壞。相互交融鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性2 鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計所包含的內(nèi)容：材料層次的延性截面與構(gòu)件層次的延性結(jié)構(gòu)層次的延性節(jié)點不屈服十分重要鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性3 延性的度量方式 結(jié)構(gòu)的延性一般通過位移延性系數(shù)來度量 ：開始屈服的變位（彈性極限位移）非彈性末端的變位（極限位移）鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性 加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會推薦：3 延性的度量方式鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性 構(gòu)件（以彎曲變形為主的構(gòu)件）的延性一般通過截面延性系數(shù)（曲率延性系數(shù)）來度量 ：截面開始屈服的曲率截面非彈性末端的曲率3 延性的度量方式鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念三、結(jié)構(gòu)的延性4 延性設(shè)計方法框架結(jié)構(gòu)的整體位移延性系數(shù)構(gòu)件截面的曲率延性系數(shù)控制必須強迫結(jié)構(gòu)按預(yù)定次序和位置出現(xiàn)塑性鉸以使結(jié)構(gòu)按預(yù)定的模式破壞鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基本概念鋼結(jié)構(gòu)延性設(shè)計的基礎(chǔ)截面、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)（包括節(jié)點）的塑性分析Ductile Design of Steel Structures M