鋼結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計(jì)第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日1.塑性設(shè)計(jì)的基本介紹1.1塑性設(shè)計(jì)的發(fā)展1.2塑性設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日1.塑性設(shè)計(jì)的發(fā)展

1914年匈牙利建立了世界上第一座塑性設(shè)計(jì)的建筑物，隨后英、加、美等國均在本國建立了塑性設(shè)計(jì)的工程。英國在1948年第一個(gè)把塑性設(shè)計(jì)方法引進(jìn)了BSS499規(guī)范。隨后，以英國和美國為中心，迅速地普及塑性設(shè)計(jì)?，F(xiàn)已公認(rèn)，塑性設(shè)計(jì)簡單、合理，而且可以節(jié)約鋼材，所以英國和荷蘭的低層建筑幾乎全部采用塑性設(shè)計(jì)，美國和加拿大的大部分低層建筑也應(yīng)用塑性設(shè)計(jì)。我國1988年的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ17-88）開始列入塑性設(shè)計(jì)，新修訂的GB50017規(guī)范又進(jìn)行了局部修改。第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日1.塑性設(shè)計(jì)的基本介紹1.1塑性設(shè)計(jì)的發(fā)展1.2塑性設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日1.2塑性設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)鋼材具有良好的延性，在保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件不喪失局部穩(wěn)定和側(cè)向穩(wěn)定的情況下，可以在超靜定結(jié)構(gòu)中的若干部位形成具有充分轉(zhuǎn)動能力的塑性鉸，引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分配（redistributionofinternalforces），從而發(fā)揮結(jié)構(gòu)各部分的潛能。這種以整個(gè)結(jié)構(gòu)的極限承載力作為結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的塑性設(shè)計(jì)（plasticdesign）方法具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日（1）與通常的彈性設(shè)計(jì)方法相比，可以節(jié)約鋼材（10％～15％）和降低造價(jià)；（2）對整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全度有更直觀的估計(jì)。通常的彈性設(shè)計(jì)方法在彈性范圍內(nèi)可以給出精確的內(nèi)力和位移，但給不出整個(gè)結(jié)構(gòu)的極限承載能力；（3）對連續(xù)梁和低層框架的內(nèi)力分析較彈性方法簡便。第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日鋼結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計(jì)1.塑性設(shè)計(jì)的基本介紹2.塑性設(shè)計(jì)的基本假定及使用條件3.塑性設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性問題4.塑性設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.塑性設(shè)計(jì)的基本假定及使用條件2.1鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)的基本原理及基本假定2.2塑性設(shè)計(jì)的適用條件2.3塑性設(shè)計(jì)中材料的應(yīng)變硬化性能的重要性第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.1鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)的基本原理結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計(jì)就是考慮一定數(shù)目的截面形成了塑性鉸，使結(jié)構(gòu)（整體或局部）變?yōu)闄C(jī)構(gòu)而破壞，以此作為承載力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)。即首先要確定結(jié)構(gòu)破壞時(shí)所能承擔(dān)的荷載——極限荷載，然后將極限荷載除以荷載系數(shù)得出容許荷載，并以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了確定極限荷載，必須考慮材料的塑形變形，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的極限分析（或塑性分析）。所謂極限分析就是對結(jié)構(gòu)變成機(jī)構(gòu)前的變形不考慮，避開破壞前的全部分析，直接計(jì)算極限荷載。第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日極限分析的假定極限分析的假定包括：

1材料為理想的彈塑體

第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日極限分析的假定2理想截面，即假定塑形區(qū)只集中在一個(gè)截面上3比例加載第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.塑性設(shè)計(jì)的基本假定及使用條件2.1鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)的基本原理及基本假定2.2塑性設(shè)計(jì)的適用條件2.3塑性設(shè)計(jì)中材料的應(yīng)變硬化性能的重要性第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.2鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)的適用條件塑性設(shè)計(jì)適用于不直接承受動力荷載的固端梁、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)。采用塑性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件按承載力極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用荷載的設(shè)計(jì)值，考慮構(gòu)件截面內(nèi)塑性的發(fā)展以及由此而引起的內(nèi)力重分布，采用簡單塑性理論進(jìn)行內(nèi)力分析。按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，并按彈性理論進(jìn)行計(jì)算。第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.塑性設(shè)計(jì)的基本假定及使用條件2.1鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)的基本原理及基本假定2.2塑性設(shè)計(jì)的適用條件2.3塑性設(shè)計(jì)中材料的應(yīng)變硬化性能的重要性第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.3塑性設(shè)計(jì)中材料的應(yīng)變硬化性能的重要性

采用塑性設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)的主要原因之一是可以避免繁瑣的計(jì)算，原因之二是彈性設(shè)計(jì)過于保守。在塑性設(shè)計(jì)中，為了計(jì)算上的方便，引入了材料理想彈塑形的假定。這一假定當(dāng)然是合理的，但有時(shí)可能會造成對材料的應(yīng)變硬化性能的忽視；另外，塑性設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)材料抵御變形的能力，因此用于塑性設(shè)計(jì)的材料必須具有足夠變形的能力，以滿足結(jié)構(gòu)形成機(jī)構(gòu)而達(dá)到承載力極限狀態(tài)的要求。從這一點(diǎn)來看，具有明顯屈服平臺的材料，如軟鋼是用于塑性設(shè)計(jì)的理想材料。值得注意的是，在強(qiáng)調(diào)材料延性的同時(shí)，還要重視對材料應(yīng)變硬化性能的要求。第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日無應(yīng)變硬化性能的材料不適用塑形設(shè)計(jì)在塑性設(shè)計(jì)中，計(jì)算構(gòu)件的塑性鉸彎矩Mp時(shí)，一般將具有明顯屈服臺階的材料看作理想彈塑性體，即忽略材料應(yīng)變硬化階段。這樣處理主要是為了使得計(jì)算簡化，算得的承載力和實(shí)際相差不大，并偏于安全。但是這種簡單化并不意味著所用的材料可以不具有應(yīng)變硬化性能。恰恰相反，材料必須具有一定的應(yīng)變硬化工作階段才有可能達(dá)到形成機(jī)構(gòu)的極限狀態(tài)。

第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日例：受均布荷載q的固端梁第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日極限分析的理想截面假定認(rèn)為，塑性鉸間的桿件是彈性的，這樣可根據(jù)虛功原理，由圖b和圖c來確定：第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日如果材料是理想彈塑體，則只有曲率Ｋ無限大時(shí)才能出現(xiàn)這一轉(zhuǎn)動，dx=0，K必然趨于無窮大，但事實(shí)上這是不可能的。因此，機(jī)構(gòu)也就無法實(shí)現(xiàn)。理想彈塑體的梁最大荷載達(dá)不到塑性設(shè)計(jì)的極限荷載，這樣就會導(dǎo)致塑形設(shè)計(jì)的失敗。第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日具有應(yīng)變硬化性能的材料截面的彎矩不僅可以達(dá)到Mp，還有可能超過這一值。這樣，在梁端會出現(xiàn)一個(gè)短的塑性區(qū)，即dx≠0，曲率Ｋ成為了有限值，機(jī)構(gòu)也就有可能實(shí)現(xiàn)了。當(dāng)梁的材料具有應(yīng)變硬化性能時(shí)，它的最大荷載能達(dá)到極限荷載并且還能超過這個(gè)值，塑形設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日2.3.2應(yīng)變硬化性能過弱的材料也不適用于塑性設(shè)計(jì)用鋁合金連續(xù)梁的實(shí)驗(yàn)表明：不僅缺少應(yīng)變硬化性能的材料不適合用于塑形設(shè)計(jì)，硬化程度很弱的材料同樣不適用。工字形截面，材料沒有明顯屈服點(diǎn)，以殘余變形0.2%確定屈服應(yīng)力fy=269MPa,極限強(qiáng)度fu=298MPa,二者比值僅僅是1.1第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日試驗(yàn)結(jié)果：B、C兩截面的彎矩均達(dá)Mp,但D截面彎矩約達(dá)Mp/2時(shí)，C處受拉翼緣就被拉斷致使梁喪失承載力。（試驗(yàn)過程中采用了防止翼緣局部屈曲的特殊措施）D截面彎矩沒有達(dá)到塑性設(shè)計(jì)的塑性彎矩Mp，梁的彎矩重分布不完全，也就沒有達(dá)到塑形設(shè)計(jì)中形成機(jī)構(gòu)的極限狀態(tài)。第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日適用于鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)的鋼材規(guī)范規(guī)定按塑性設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)，其鋼材必須滿足三個(gè)條件：強(qiáng)屈比fu/fy≥1.2；伸長率δ5≥15％；相應(yīng)于fu的應(yīng)變εu不小于20倍的屈服點(diǎn)應(yīng)變εy。第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日鋼結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計(jì)1.塑性設(shè)計(jì)的基本介紹2.塑性設(shè)計(jì)的基本假定及使用條件3.塑性設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性問題4.塑性設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.塑性設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性問題

3.1防止局部屈曲防止板件在結(jié)構(gòu)成為機(jī)構(gòu)之前局部屈曲需要對它的寬厚比嚴(yán)格控制3.2防止彎扭屈曲防止構(gòu)件在成為機(jī)構(gòu)前彎扭屈曲要靠適當(dāng)布置側(cè)向支撐（可用限制側(cè)向長細(xì)比λy作為保證梁段在塑性鉸處的轉(zhuǎn)動能力的一項(xiàng)措施）構(gòu)造要求第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日鋼結(jié)構(gòu)的塑性設(shè)計(jì)1.塑性設(shè)計(jì)的基本介紹2.塑性設(shè)計(jì)的基本假定及使用條件3.塑性設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性問題4.塑性設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日4塑性設(shè)計(jì)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)4.1全部采用螺栓連接4.2螺栓和焊縫混合連接4.3短梁過渡連接第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日4.1全部采用螺栓連接ab第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日4.2螺栓和焊縫混合連接

4.3短梁過渡連接d第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日由于剪切變形會引起剛架的梁柱端剛度的退化，所以必須采取措施加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)域的剛度。（a）采用小板對柱翼緣加強(qiáng)（b）加設(shè)斜向加勁肋（c）在腹板兩側(cè)焊上板來加厚，從而保證鋼結(jié)構(gòu)塑形充分發(fā)展和內(nèi)力重分布第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日謝謝第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日簡單塑性理論鋼結(jié)構(gòu)的簡單塑性理論是指：假定鋼材為理想彈塑形體，采用一階理論分析，不考慮二階效應(yīng)；保證在形成機(jī)構(gòu)前不發(fā)生側(cè)扭屈曲破壞，其組成板件不發(fā)生局部屈曲破壞；荷載按比例增加，內(nèi)力計(jì)算時(shí)考慮產(chǎn)生塑性鉸而使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為破壞機(jī)構(gòu)體系。用簡單塑性理論進(jìn)行框架分析是不考慮二階效應(yīng)的。按塑性分析的結(jié)構(gòu)，變形較大，結(jié)構(gòu)剛度也有所降低，二階效應(yīng)必然比彈性分析要大；如果再加上殘余應(yīng)力、初彎曲、初偏心等初始缺陷的影響，承載力會進(jìn)一步降低。對于一般的連續(xù)梁、單層和兩層框架，鋼材硬化的有利影響可以抵消二階效應(yīng)對承載力的不利影響；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)

。第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日

——對x軸的塑性毛截面模量；

——彎矩作用平面外的長細(xì)比，，為側(cè)向支承點(diǎn)間距離，為截面回轉(zhuǎn)半徑；M1——與塑性鉸相距為的側(cè)向支承點(diǎn)處的彎矩，當(dāng)長度內(nèi)為同向曲率時(shí)為正，反之為負(fù)。

第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日除防止側(cè)向彎扭屈曲的要求之外，塑性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尚應(yīng)考慮下述構(gòu)造要求：(1)為避免引起過大的二階效應(yīng)，受壓構(gòu)件的長細(xì)比不宜大于。這比彈性設(shè)計(jì)的稍嚴(yán)。(2)所有節(jié)點(diǎn)及其連接應(yīng)有足夠的剛度，以保證節(jié)點(diǎn)處各構(gòu)件間的夾角保持不變。為達(dá)此目的，采用螺栓的安裝接頭應(yīng)避開梁和柱的交接線，或者采用加腋等擴(kuò)大式接頭。構(gòu)件拼接和構(gòu)件間的連接應(yīng)能傳遞該處最大彎矩設(shè)計(jì)值的1.1倍，且不得低于，以便使節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度稍有余量，減少在連接處產(chǎn)生永久變形的可能性