高鋼塑形設(shè)計及抗震作業(yè)

1、高等鋼結(jié)構(gòu)理論塑性設(shè)計與抗震性能作業(yè)第三章 塑性設(shè)計3.1b 簡述剪力和鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線強化對受彎截面的極限抗彎承載力的影響。答：1、剪力對受彎截面的極限抗彎承載力的影響（1）定性分析由于剪力的存在，截面上同時存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，此時由Mises屈服準則可知，當截面上存在剪力時，至少有一部分正應(yīng)力還未達到時就已完全進入塑性，此時截面的極限彎矩為：即剪力的存在降低了受彎截面的極限抗彎承載力。（2）以簡化模型3進行理論分析對同時承受彎矩和剪力作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，根據(jù)Mises條件，剪應(yīng)力和正應(yīng)力都對材料進入塑性有影響，按照理想彈塑性模型，截面能承受的彎矩將低于塑性彎矩。對雙軸對稱工字型截面，若彎矩

2、繞軸作用，剪力沿軸作用，當翼緣在正應(yīng)力作用下完全進入塑性時，腹板的應(yīng)力分布將如圖3.1.1所示，圖 3.1.1 工字型鋼腹板應(yīng)力分布（簡化模型3a）其函數(shù)表達式為：上式滿足Mises屈服條件，式中為腹板上任一點距中和軸的距離；為腹板高；為系數(shù)，與截面上的剪力彎矩比和截面高度有關(guān)，可在至區(qū)間內(nèi)取值。當大于，截面上的剪力很大，腹板中央出現(xiàn)純剪切區(qū)域，這時腹板上應(yīng)力分布如圖3.1.2所示。圖 3.1.2 出現(xiàn)純剪區(qū)的腹板應(yīng)力分布圖在應(yīng)力和剪應(yīng)力并存的區(qū)域，有式中為純剪區(qū)高度，。根據(jù)圖3.3.2中的應(yīng)力分布，可以分別求得截面彎矩和剪力的表達式為式中、分別為截面對強軸的塑性彎矩和腹板對強軸的塑性彎矩；為

3、腹板塑性剪力，按腹板面積與屈服剪應(yīng)力的乘積計算。當時，；在工字形截面寬高比為、外伸翼緣寬厚比為、腹板高厚比為、翼緣厚度與腹板厚度比為時、有，可見這種情況下剪力對截面抗彎強度的影響并不大。但跨高比很小的深梁中，剪力可能達到屈服剪力值，在上述例子中，表明在這種情況下，計算截面極限彎矩時應(yīng)當考慮剪力的影響?？紤]到剪力對受彎截面的極限抗彎承載力的影響，我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中明確規(guī)定（GB50017-201X報批稿）：塑性鉸區(qū)承受的軸力不應(yīng)大于軸向塑性承載力()。2、應(yīng)力-應(yīng)變曲線強化對受彎截面的極限抗彎承載力的影響鋼結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，通常假定為理想彈塑性模型(圖3.1.3a中實線)。在僅受彎矩的梁

4、構(gòu)件中，截面內(nèi)力的發(fā)展經(jīng)歷圖3.1.3(b)所示的三個階段，即邊緣應(yīng)力未達到屈服點，或僅邊緣應(yīng)力達到屈服點；截面邊緣一部分應(yīng)力達到屈服點；整個截面都達到極限狀態(tài)。按理論模型，當全截面應(yīng)力都達到屈服點之后，應(yīng)變將可無限發(fā)展，因而，截面內(nèi)力達到塑性彎矩后，承載能力無法繼續(xù)提高，而截面曲率趨向無窮，如圖3.1.3(c)所示。實際受彎鋼桿件的變形并非如此。結(jié)構(gòu)鋼材中的軟鋼(常用的如Q235和Q345鋼及相當鋼種)的應(yīng)力應(yīng)變曲線都有強化階段，如圖3.1.3(a)虛線所示。受彎截面的邊緣應(yīng)變進入強化段后，受彎截面的應(yīng)力分布如圖3.1.3(d)所示，截面的彎矩-曲率曲線如圖3.1.3(c)中虛線所示。圖3.

5、1.3(c)中虛線保持著向上發(fā)展的趨勢。實際桿件的情況則遠比假定的理論模式復(fù)雜。實際鋼構(gòu)件由板件構(gòu)成，桿件有一定長度，因此板件的失穩(wěn)、桿件的失穩(wěn)、連接的失效等，都會導致受彎桿件承載力的退化或喪失。對實際構(gòu)件，曲率增大到一定程度，就會出現(xiàn)抗彎承載力下降。 (a) (b)(c) (d)圖3.1.3 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和彎矩-曲率關(guān)系(a)圖為理想彈塑性應(yīng)力分布；(c)圖為實際的彈塑性應(yīng)力分布 由此可見，一定范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線硬化對受彎截面抗彎承載能力的發(fā)揮具有幫助作用。3.2b 試用簡單塑性分析法，求出圖3.2c所示門式剛架的極限荷載。梁柱截面可以假設(shè)不相同。解：1、鋼結(jié)構(gòu)的簡單塑性理論是指：

6、假定鋼材為理想彈塑性體，采用一階理論分析，不考慮二階效應(yīng)；保證在形成機構(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)力計算時考慮產(chǎn)生塑性鉸，塑性鉸達到一定數(shù)量后結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為破壞機構(gòu)體系。2、采用機構(gòu)法進行塑性極限分析。（設(shè)柱截面的極限彎矩為，梁截面的極限彎矩為）（1）梁機構(gòu) 圖 3.2.1a 梁機構(gòu)一對于圖3.2.1a所示的梁機構(gòu)，虛功方程為：解得：由上限定理（極限荷載為可破壞荷載的極小者），上式對x求導并另導數(shù)為零解得：，即 圖3.2.1b梁機構(gòu)二 對于圖3.2.1b所示的梁機構(gòu)，同理可求得極限荷載為：（2）側(cè)移機構(gòu) 圖3.2.2 側(cè)移機構(gòu)對于圖3.2.2所示的側(cè)移機

7、構(gòu)，虛功方程為：得（3）組合機構(gòu) 圖3.2.3a 組合機構(gòu)一對于圖3.2.3a所示的組合機構(gòu)，虛功方程為：解得：對x求導得當時，其中極小值為 圖3.2.3b 組合機構(gòu)二對于圖3.2.3b所示組合機構(gòu)，虛功方程為：梁上同理可求得極限荷載為：當時，其中3、結(jié)果分析當時，梁機構(gòu)極限荷載為；側(cè)移機構(gòu)極限荷載為；組合機構(gòu)極限荷載為，綜上極限荷載為。3.3d 塑性設(shè)計與彈性設(shè)計的基本區(qū)別？塑性設(shè)計有哪些方法、各自的適用范圍如何？答：1 塑性設(shè)計與彈性設(shè)計的基本區(qū)別對于延性材料，簡單的以一個截面的極限狀態(tài)作為整根桿件的極限狀態(tài)，以一根桿件的極限狀態(tài)作為整個結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)的設(shè)計判斷標準的設(shè)計原則為彈性設(shè)計原則

8、。對于靜定結(jié)構(gòu)，由于沒有多與約束，用彈性設(shè)計比較合理。對于超靜定結(jié)構(gòu)，由于有多余約束的存在，當某一個截面或桿件達到塑性時，結(jié)構(gòu)還能繼續(xù)承擔荷載，直至其他的截面或桿件達到塑性，使結(jié)構(gòu)變成機構(gòu)，達到該結(jié)構(gòu)的承載力的極限，即為塑形設(shè)計原則。對于靜定結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)即告失效。然而對于超靜定結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)塑性鉸之后，會發(fā)生塑性內(nèi)力重分布，使結(jié)構(gòu)能夠繼續(xù)承擔荷載，直至出現(xiàn)的塑性鉸使結(jié)構(gòu)變成機構(gòu)，結(jié)構(gòu)才被認為破壞。在設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的所處的位置和重要程度進行彈性和塑形設(shè)計：重要的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件采用彈性設(shè)計，次要的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件采用塑形設(shè)計原則。在梁板結(jié)構(gòu)中，主梁多為彈性設(shè)計原則，板與次梁多采用塑形設(shè)計原則。由于

9、塑性設(shè)計時會考慮材料的塑性變形，因此實際結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的變形和裂縫，因此使用時不允許出現(xiàn)裂縫、受侵蝕作用的結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)混凝土與特殊混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力與疊合構(gòu)件一般不允許采用塑形設(shè)計原則。按塑性理論計算的承載力稍大于按彈性理論計算的承載力，因此直接承擔動荷載的結(jié)構(gòu)也不應(yīng)按塑性設(shè)計原則。彈性設(shè)計法是以結(jié)構(gòu)構(gòu)件某一截面上的邊緣纖維應(yīng)力達到屈服強度時的狀態(tài)，作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)。塑性設(shè)計法建立在充分利用鋼材所具有的塑性變形能力的基礎(chǔ)上。當作用在超靜定結(jié)構(gòu)上的荷載達到一定數(shù)值時，構(gòu)件中的某一截面全部進入塑性，此時荷載雖繼續(xù)增加，但在該截面上的內(nèi)力矩并不增加，并在此力矩作用下使該截面轉(zhuǎn)動，即形成塑性

10、鉸；結(jié)構(gòu)因該截面的轉(zhuǎn)動，使結(jié)構(gòu)內(nèi)分布的內(nèi)力進行重新調(diào)整（即內(nèi)力重分配），直到整個結(jié)構(gòu)形成一定數(shù)量的塑性鉸，結(jié)構(gòu)便轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定狀態(tài)，即形成破壞機構(gòu)，便達到塑性設(shè)計的承載力極限狀態(tài)，但在正常使用情況下，一般不可能到達此種狀態(tài)。2 塑性分析的基本方法(1) 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)力計算時考慮產(chǎn)生塑性鉸，塑性鉸達到一定數(shù)量后結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為破壞機構(gòu)體系。鑒于塑性設(shè)計與彈性設(shè)計相比，強度儲備較低，尤其是荷載反復(fù)作用的情況，如重復(fù)卸載與加載過程中，變形會不

11、斷加大，因此在塑性設(shè)計中，不能采用與彈性設(shè)計相同的抗力分項系數(shù)，而應(yīng)適當加大，規(guī)范規(guī)定，在塑性設(shè)計時，鋼材和連接的強度設(shè)計值應(yīng)乘以折減系數(shù)0.9。(2) 剛-塑性分析方法剛塑性分析應(yīng)滿足以下三個條件：（A）平衡條件：作用在整個結(jié)構(gòu)或任意部分的自由體上的力和力矩的總和應(yīng)為零。（B）形成機構(gòu)條件：形成足夠數(shù)目的塑性鉸，用以破壞結(jié)構(gòu)的連續(xù)性使結(jié)構(gòu)整體或一部分形成機構(gòu)。（C）全塑性彎矩條件：以截面的全塑性彎矩作為極限彎矩，任何截面都無法超越此極限。此處涉及三個定理，分別是下限定理、上限定理和唯一性定理。下限定理指在滿足平衡條件和全塑性彎矩條件的彎矩分布的基礎(chǔ)上，所求得的結(jié)構(gòu)荷載必小于或等于塑性極限荷載

12、。上限定理指在假定機構(gòu)基礎(chǔ)上所算得的結(jié)構(gòu)荷載，大于或等于塑性極限荷載。唯一性定理是指同時滿足平衡、形成機構(gòu)和全塑性彎矩等三個條件的荷載，就是結(jié)構(gòu)的塑性極限荷載。剛-塑性分析的基本方法包括靜力法、機構(gòu)法和彎矩平衡法。 (a)極限平衡法（靜力法）圖3.3 靜力法 以下限定理為基礎(chǔ)，目的在于尋求一個既滿足平衡條件、又符合全塑性彎矩條件（M<=Mp）的彎矩圖。相應(yīng)于這個彎矩圖的荷載，僅為結(jié)構(gòu)塑性破壞荷載的下限。僅當彎矩達到Mp值（亦即形成塑性鉸）的截面數(shù)目，足以使結(jié)構(gòu)變成機構(gòu)時，這個荷載才是真正的塑性破壞荷載。極限平衡法適用于超靜定次數(shù)較低的梁和剛架。 (b) 機構(gòu)法破壞機構(gòu)法以上限定理為基礎(chǔ)。

13、當不考慮平衡方面的要求，而只考慮機動與屈服條件，用上限定理求出荷載的上限解。它的任務(wù)是：從所有可能的破壞機構(gòu)中，選出相應(yīng)于最小塑性極限荷載的一個機構(gòu)，便是真正的破壞機構(gòu)，這個最小塑性極限荷載即真正的塑性破壞荷載。作為校核，這個相應(yīng)破壞機構(gòu)的彎矩圖應(yīng)處處不超過Mp。在實際設(shè)計中，外荷載是已知值，Mp是所要求的未知值。這時上限定理相當于：在所有可能的機構(gòu)中，相應(yīng)于最大Mp值的機構(gòu)是真正的破壞機構(gòu)。 (c) 彎矩平衡法尋找一個與外荷載平衡的彎矩分布方案，構(gòu)件的截面即按這種彎矩分布確定。事實上，可以找到許多個彎矩分布方案，其中每一個分布方案都可以和外荷載平衡。在實際設(shè)計中，可以選用導致最小結(jié)構(gòu)重量的方

14、案，因為最小重量和經(jīng)濟方案是密切相關(guān)的。(3) 彈-塑性分析方法理想彈塑性方法適用于荷載小增量的情況下，隨著荷載的增加，塑性鉸出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中。理想彈塑性方法假定在達到后，構(gòu)件的變形為線彈性變形，之后彎矩很快達，然后沒有經(jīng)過受拉強化階段而直接表現(xiàn)出完全塑性。軟件應(yīng)該能夠很容易的預(yù)測出塑性鉸的形成，交替和消失，甚至是卸載和反轉(zhuǎn)。最終的機制是真正的破壞機理（假設(shè)塑性鉸的旋轉(zhuǎn)方向與彎矩有關(guān)）。最終的機制與最低負載因子的機制相同，最低負載因子的機制可以通過剛-塑性方法得到。理想彈塑性方法適用范圍：理想彈塑性方法適用于荷載小增量的情況下。3.4c 選擇一種或幾種有限元分析軟件，論述其可用于鋼框架結(jié)構(gòu)彈塑性分

15、析或推覆分析的單元類型，并自選合適的計算模型，施加豎向荷載和水平荷載，進行算例分析，通過Mises應(yīng)力云圖、應(yīng)變云圖、荷載-位移曲線等形式展示計算結(jié)果。答：1、選用的有限元軟件為ABAQUS，包含的單元類型有實體單元、梁單元、殼單元、桁架單元和剛性體單元等等，其中可用于鋼框架結(jié)構(gòu)彈塑性分析的單元類型有實體單元和梁單元。實體單元簡單地模擬部件中的一小塊材料，由于可以通過其任何一個表面與其他單元相連，因此實體單元就像建筑物中的磚或馬賽克中的瓷磚一樣，能夠用來構(gòu)建幾乎任何形狀、承受任意荷載的模型，故可采用六面體單元、四面體單元等來分析三維鋼框架結(jié)構(gòu)的彈塑性問題；梁單元用來模擬一個方向的尺寸遠大于另外

16、兩個方向的尺寸，并且僅沿梁軸方向應(yīng)力比較顯著的構(gòu)件，適合用來模擬鋼框架結(jié)構(gòu)并可進行彈塑性分析。其中線性梁和二次梁單元允許剪切變形，并考慮了有限軸向應(yīng)變，既適合模擬細長梁，也適合模擬短粗梁；三次梁單元不考慮剪切彎曲和假設(shè)小的軸向應(yīng)變，只適合模擬細長梁。此外，由于鋼框架結(jié)構(gòu)細長桿的特點，采用實體單元模擬時，節(jié)點和單元個數(shù)較多，計算量大，且精度提高不明顯，故一般可采用梁單元進行模擬。2、算例分析（考慮P-效應(yīng)的二階彈塑性分析）（1）模型參數(shù)鋼框架模型：單跨兩層平面框架單元類型：梁單元材料本構(gòu)關(guān)系：采用理想彈塑性的本構(gòu)關(guān)系，屈服強度為235MPa，泊松比0.3。截面參數(shù)：工字型截面，翼緣：200x10

17、，腹板：200x8。計算簡圖： 圖3.4.1 計算簡圖 （2）結(jié)果分析Mises應(yīng)力云圖： 圖3.4.2 Mises應(yīng)力云圖通過上圖可以發(fā)現(xiàn)該框架破壞時共形成了5個塑性鉸位移云圖： 圖3.4.3 位移云圖荷載位移曲線： 圖3.4.5 荷載位移曲線由于采用的是力加載，無法得到荷載位移曲線的下降段；若保持豎向均布荷載不變，水平荷載有位移控制加載，則可得到荷載位移曲線的下降段。結(jié)構(gòu)能量時程曲線 圖3.4.6 能量時程曲線通過觀察能量時程曲線可以發(fā)現(xiàn)，該曲線有5處明顯的轉(zhuǎn)折，此時出現(xiàn)了塑性鉸，最后能量突然下降表示結(jié)構(gòu)形成機構(gòu)，發(fā)生破壞。由此可以得到荷載與塑性鉸數(shù)量的關(guān)系，如下圖： 圖3.4.7 塑性鉸

18、情況第四章 抗震性能4.1c 鋼支撐的滯回曲線有何特點？試采用梁單元來模擬鋼支撐的滯回性能，并闡述模擬的要點。答：鋼支撐可以增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，減小結(jié)構(gòu)的變形，提高結(jié)構(gòu)的承載能力，還可以大大提高結(jié)構(gòu)遭遇罕遇地震時的耗能能力。單個鋼支撐的滯回特性包括穩(wěn)定的受拉特性、受壓時發(fā)生屈曲且屈曲荷載不斷降低、受壓卸載剛度逐漸降低等復(fù)雜現(xiàn)象1、鋼支撐的滯回曲線特點鋼支撐可顯著增強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，同時也是主要的耗能部件。鋼支撐在往復(fù)變形中受到幾何、材料非線性影響,其滯回行為中包括多種復(fù)雜物理現(xiàn)象。單個鋼支撐的滯回特性包支撐受拉屈服、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

19、性下板件的局部屈曲及低周疲勞失效等多種因素的影響。圖 4.1.1 單循環(huán)加載時支撐變形過程及滯回曲線 如圖4.1.1所示是鋼支撐在軸力作用下的典型變形過程和單循環(huán)滯回曲線。由于支撐存在初始缺陷，其兩端施加的軸力會在跨中位置產(chǎn)生附加彎矩。在軸力到達A點之前，支撐處于彈性壓縮階段，承擔的軸力和跨中附加彎矩比例增加。當跨中截面在壓彎共同作用下屈服時（如圖4.1.2所示），支撐在跨中位置將形成塑性鉸，宏觀上支撐開始發(fā)生屈曲現(xiàn)象( B點) 。圖 4.1.2 截面彎矩-軸力相關(guān)曲線 圖 4.1.3 支撐多循環(huán)滯回曲線支撐屈曲后，塑性鉸的轉(zhuǎn)動導致支撐側(cè)向變形增大，軸力產(chǎn)生的附加彎矩迅速增加，桿件的受壓承載力

20、迅速下降(BC段)。從C點開始支撐進入卸載和反向拉伸階段，支撐受壓屈曲后的卸載剛度明顯低于初始彈性剛度。拉伸到D點時跨中截面在拉彎共同作用下再次屈服并形成塑性鉸，但此時塑性鉸的轉(zhuǎn)動方向與受壓時相反，支撐的側(cè)向變形不斷減小。隨著拉伸變形的不斷增加，支撐到達E點時接近全截面受拉屈服。EF段支撐進入塑性拉伸變形階段，而在F點后支撐開始彈性卸載并進入下一循環(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。支撐典型的多循環(huán)滯回曲線見圖4.1.3所示。2、有限元模擬分析的

21、要點單個鋼支撐滯回曲線模擬算例：模型參數(shù)：支撐長為4m；工字型截面，翼緣：200x10，腹板：180x8。單元類型：三次梁單元（B23）。材料本構(gòu)關(guān)系：理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，屈服強度為235MPa，泊松比0.3。加載方式：采用位移加載，幅值為0.05m，加載曲線如下圖： 圖4.1.4 位移加載曲線模擬結(jié)果： 圖4.1.5 滯回曲線模擬要點總結(jié)：（1）合理設(shè)置初始缺陷。在ABAQUS中可以通過修改關(guān)鍵字來添加初始缺陷，此外還可以橫向施加均布荷載來實現(xiàn)初始缺陷，但此時需注意施加的橫向荷載不能太大也不能太小，太大會導致構(gòu)件很快破壞從而不收斂，而太小構(gòu)件不會發(fā)生明顯的彎曲變形，滯回曲線就會變成一條直線。

22、（2）合理設(shè)置增量步的大小。增量步太大會導致計算很容易不收斂，而增量步太小則使計算量大大增加。（3）采用位移加載的方式。如果采用力加載的方式，一但荷載超過桿件的臨界荷載就發(fā)生破壞導致放棄；而采用位移加載則沒有這個問題，所以更容易收斂。（4）單元類型宜采用三次梁單元。因為ABAQUS中三次梁單元為Euler-Bernoulli梁單元，單元截面在變形過程中與軸線保持垂直，不考慮剪切變形，因此采用三次梁單元模擬細長構(gòu)件更為有效。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)。答：1 滯回模型：(1)節(jié)點的滯回曲線模型 圖4.2.1 極值點導向模型 圖4.2.2 雙直線模型 圖4.2

23、.3 捏攏模型(2) 軸心受力鋼構(gòu)件的滯回模型 (a) (b) (c)圖4.2.3 軸心受力鋼構(gòu)件的滯回模型(a) 為短柱模型；(b)為中柱模型；(c)為長柱模型(3) 受彎構(gòu)件滯回曲線模型圖4.2.4 受彎鋼構(gòu)件的滯回模型2 損傷指數(shù)：為防止鋼結(jié)構(gòu)在罕遇地震下嚴重破壞或倒塌，需進行鋼結(jié)構(gòu)彈塑性動力時程分析，根據(jù)選定的地震波和結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性，對結(jié)構(gòu)動力時程分析采用逐步積分的方法計算地震過程中每一瞬時結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度、內(nèi)力反應(yīng)，從而可以分析結(jié)構(gòu)在彈性和非彈性階段的內(nèi)力變化及構(gòu)件破壞、直至倒塌的全過程。鋼材料存在損傷，隨著荷載的循環(huán)作用，在材料中的微裂紋、微空洞、剪切帶等細觀損傷萌生、串

24、接、匯合、擴展，從而形成損傷的動態(tài)演化過程，置之影響鋼結(jié)構(gòu)的性能。為了定量描述結(jié)構(gòu)防止在地震中倒塌的安全度，提出了損傷指數(shù)的概念。結(jié)構(gòu)在其壽命周期內(nèi)所能承受的地震破壞總量的預(yù)測由損傷指數(shù)控制，而損傷指數(shù)由剛度、強度和延性控制。對延性而言，損傷指數(shù)分別從構(gòu)件級別、樓層級別、整體結(jié)構(gòu)級別代表了塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動能力。(1) 構(gòu)件的損傷指數(shù) 可以由所需所需塑性轉(zhuǎn)動能力和可提供的塑性主動能力之間的比值計算得出： (2) 樓層損傷指數(shù)代表了樓層抵御地震破壞的能力 (3) 整體損傷指數(shù)描述整個機構(gòu)的損傷指數(shù)，包括地震作用下的結(jié)構(gòu)整體性能4.3c 你了解哪些減震裝置、減震構(gòu)造和減震結(jié)構(gòu)體系？請說明其特點、減震

25、機理、應(yīng)用實例和應(yīng)用前景。答： 1、減震裝置（阻尼器）1.1 摩擦型阻尼器普通的摩擦阻尼器主要分為三層結(jié)構(gòu)，分別為中間鋼板和上下兩層的銅墊板。普通摩擦阻尼器主要是通過中間鋼板對上下兩層銅墊板的摩擦進行耗能，中間鋼板與銅墊板通過螺栓進行連接，在耗能過程中，可以通過緊固螺栓或放松螺栓來調(diào)節(jié)摩擦力的大小。螺栓的緊固力越大，摩擦阻尼器運動所產(chǎn)生的摩擦力越大。同時，在該結(jié)構(gòu)中采用鋼板和銅兩種材料，能夠降低阻尼器滑動摩擦力的衰減，從而有效保證了阻尼器性能的充分發(fā)揮。摩擦阻尼器由于造價低廉，耗能能力較強而得到廣泛的應(yīng)用。摩擦阻尼器的研究始于20世紀70年代末。目前，研究開發(fā)的摩擦阻尼器主要有：Pall摩擦阻

26、尼器、Sunito-me摩擦阻尼器、摩擦剪切鉸阻尼器、滑移型長孔螺栓節(jié)點阻尼器。這些摩擦阻尼器都具有較好的庫侖特性，摩擦耗能明顯，可提供較大的附加阻尼。荷載大小、頻率對其性能影響不大，且構(gòu)造簡單，取材容易，造價低廉，因而具有很好的應(yīng)用前景。我國目前關(guān)于摩擦阻尼器的工程應(yīng)用實例較少，如東北某政府大樓采用了Pall摩擦阻尼器進行抗震加固，并通過模型擬動力試驗對加固效果進行了驗證。此外，比較典型的是云南省洱源縣振戎中學新建食堂中安裝了T形芯板摩擦耗能器該學校的語音教室和階梯教室也作為試點安裝了鋼板一摩擦耗能器。1.2 金屬阻尼器金屬阻尼器主要是利用金屬材料在進入塑性范圍后具有良好的滯回性能這一特點，

27、在結(jié)構(gòu)發(fā)生變形前先行屈服，以耗散大部分地面運動傳遞給結(jié)構(gòu)的能量，從而達到減振的目的。由于金屬阻尼器具有滯回特性穩(wěn)定、耗能能力良好、構(gòu)造簡單、造價低廉、對環(huán)境和溫度的適應(yīng)性強以及維護方便等優(yōu)點，引起了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，研究并開發(fā)出了包括軟鋼、鉛和形狀記憶合金等多種形式的金屬阻尼器，其中以軟鋼阻尼器的應(yīng)用最為廣泛。 圖4.3.1 金屬阻尼器最早得以應(yīng)用的金屬阻尼器是鋼管耗能裝置，在新西蘭一幢六層辦公樓的預(yù)制板的斜撐中被采用。在意大利那不勒斯的一幢兩層的鋼結(jié)構(gòu)懸掛建筑的核心筒和懸掛樓板之間采用了錐形軟鋼阻尼器。X形軟鋼阻尼器是一種形式簡單的耗能裝置，比較典型的應(yīng)用是在墨西哥的三幢鋼筋混凝土的建筑

28、加固工程中。1.3 粘彈性阻尼器粘彈性阻尼器主要依靠粘彈性材料的往復(fù)剪切滯回變形耗散并吸收輸入到結(jié)構(gòu)中的能量，從而達到減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的。在反復(fù)的軸力作用下，鋼板產(chǎn)生相對位移，使得夾在鋼板間的粘彈性材料產(chǎn)生剪切變形，耗散了輸入結(jié)構(gòu)的外部能量。由于粘彈性阻尼器性能可靠、耗能能力強，其理論和試驗研究也很成熟，并且國內(nèi)外都有規(guī)格化的產(chǎn)品，因此，在實際工程中應(yīng)用廣泛。粘彈性阻尼器最先用于對高層結(jié)構(gòu)的風振控制，人們最為熟知的工程實例是美國世界貿(mào)易中心雙塔樓110層的高層建筑，每個塔樓大約安裝了10000個阻尼器。另一個著名的建筑是1982年在美國西雅圖建造的Columbia Center大樓，安裝有26

29、0個粘彈性阻尼器。此外，粘彈性阻尼器還成功應(yīng)用于高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)的風振控制中。如我國哈爾濱的黑龍江電視塔、合肥市體育館、南京長江二橋、上海的旱橋斜拉索橋，美國佛羅里達州的橋以及日本千葉市的體育館等。1.4 粘滯阻尼器粘滯阻尼器的種類很多，依據(jù)阻尼力產(chǎn)生原理的不同可以歸納為兩類。一類是利用粘滯液體在敞開的容器中產(chǎn)生一定的位移來進行耗能的阻尼器。對于這類阻尼器，由于構(gòu)件通過在粘滯流體中運動，使高濃度阻尼材料發(fā)生剪切變形，因此要求液體盡量粘稠以獲得最大限度的阻尼。另一類是利用粘滯液體在封閉的容器中產(chǎn)生一定的流速來進行耗能的阻尼器。對于這類阻尼器，活塞要迫使粘滯液體在很短的時間內(nèi)通過孔隙

30、或縫隙，以產(chǎn)生很大的阻尼力，因此，對這類阻尼器內(nèi)部工藝設(shè)計要求較高。第一類粘滯阻尼器中比較典型的有圓筒式阻尼器和粘滯阻尼墻。圓筒式阻尼器由大小兩個圓筒組成，大圓筒固定在下層樓面，小圓筒固定在上層樓板或梁底并浸在大圓筒內(nèi)。地震發(fā)生時，小圓筒在高濃度、高粘滯性的液體內(nèi)運動受到阻力使之變形，進而耗散輸入結(jié)構(gòu)體系的能量，從而達到減震的目的。第二類粘滯阻尼器中最著名的是由美國Taylor公司生產(chǎn)的Taylor粘滯液體阻尼器，主要由缸體和活塞組成。該阻尼器的不銹鋼活塞桿頭周圍為環(huán)形間隙，阻尼器的另一端是為了抵償由于活塞桿運動對硅油容積的改變而特殊設(shè)計的調(diào)節(jié)油腔。當活塞向內(nèi)運動時，部分活塞桿進入油缸，硅油必

31、然通過活塞頭的孔反向流動，由于硅油的可壓縮性，此過程中將產(chǎn)生抗力，即所謂的剛度發(fā)展反之，活塞桿向外運動時，油缸內(nèi)產(chǎn)生空腔，硅油在油壓差的作用下流回此反復(fù)過程中產(chǎn)生阻尼力，可以耗散輸入結(jié)構(gòu)的能量，以控制結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。2、減震構(gòu)造結(jié)構(gòu)減震構(gòu)造主要有基底隔震和懸掛隔震兩種。2.1、基底隔震構(gòu)造在結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置隔震消能裝置，使之與固結(jié)于地基中的基礎(chǔ)頂面分開，限制地震動向結(jié)構(gòu)物傳遞，如圖4.3.2所示。為達到明顯減震效果，通常基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)需具備以下四種特性：圖 4.3.2 基底隔震構(gòu)造圖(1) 承載特性：具有足夠的豎向強度和剛度以支撐上部結(jié)構(gòu)的重量； (2) 隔震特性：具有足夠的水平初始剛度

32、，在風載和小震作用下，體系能保持在彈性范圍內(nèi)，滿足正常使用的要求，而中強地震時，其水平剛度較小，結(jié)構(gòu)為柔性隔震結(jié)構(gòu)體系； (3) 復(fù)位特性：地震后，上部結(jié)構(gòu)能回復(fù)到初始狀態(tài)，滿足正常的使用要求。 (4) 耗能特性：隔震系統(tǒng)本身具有較大的阻尼，地震時能耗散足夠的能量，從而降低上部結(jié)構(gòu)所吸收的地震能量。 基底隔震構(gòu)造的適用范圍：高度不超過40m，以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的多層和中高層結(jié)構(gòu) 2.2、基礎(chǔ)隔震構(gòu)造基礎(chǔ)隔震主要采用隔震橡膠支座，隔震橡膠支座包括天然夾層橡膠支座、鉛芯橡膠支座，高阻尼橡膠支座等。 2.2.1、天然夾層隔震橡膠支座 天然夾層橡膠支座具有較大的豎向剛度，承受

33、建筑物的重量時豎向變形小，而水平剛度較小，且線性性能好，如圖4.3.3所示。 圖 4.3.3天然夾層隔震橡膠支座 由于天然夾層橡膠支座的阻尼很小，不具備足夠的耗能能力，所以在結(jié)構(gòu)使用中一般同其它阻尼器或耗能設(shè)備聯(lián)合使用。 2.2.2、鉛芯隔震橡膠支座 圖 4.3.4 鉛芯隔震橡膠支座鉛芯隔震橡膠支座由新西蘭的ROBINSON及其公司最早研制開發(fā)，以后在中國、日本、美國、意大利等國家都得到了較大的發(fā)展與應(yīng)用。因為鉛芯橡膠支座不但具有較理想的豎向剛度，如圖4.3.4所示，而且本身具有消耗地震能量的能力，故鉛芯橡膠支座在結(jié)構(gòu)使用中受到廣泛歡迎。 3、減震結(jié)構(gòu)體系 3.1、結(jié)構(gòu)消能減振體系的分類 結(jié)構(gòu)

34、消能減振體系由主體結(jié)構(gòu)和消能部件（消能裝置和連接件）組成，可以按照消能部件的不同構(gòu)件型式分為以下類型： 3.1.1、消能支撐 可以代替一般的結(jié)構(gòu)支撐，在抗震和抗風中發(fā)揮支撐的水平剛度和消能減振作用。 消能裝置可以做成方框支撐、圓框支撐、交叉支撐、斜桿支撐、K 型支撐等，如圖4.3.5所示。圖 4.3.5 消能支撐3.1.2、消能剪力墻 可以代替一般結(jié)構(gòu)的剪力墻，在抗震和抗風中發(fā)揮支撐的水平剛度和消能減震作用。消能剪力墻的形式如圖4.3.6所示。圖 4.3.6 消能剪力墻的形式 3.1.3、消能節(jié)點 在結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點或梁節(jié)點處安裝消能裝置。 當結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向位移、在節(jié)點處產(chǎn)生角度變化或者轉(zhuǎn)動式錯動

35、時，消能裝置即可以發(fā)揮消能減震作用，如圖4.3.7所示。圖 4.3.7 消能節(jié)點3.1.4、消能聯(lián)接消能聯(lián)接是在結(jié)構(gòu)的縫隙處或結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的聯(lián)結(jié)處設(shè)置消能裝置。當結(jié)構(gòu)在縫隙或聯(lián)結(jié)處產(chǎn)生相對變形時，消能裝置即可以發(fā)揮消能減震作用，如圖4.3.8所示。圖 4.3.8 消能聯(lián)接3.1.5、消能支承或懸吊構(gòu)件 圖 4.3.9 消能支承或懸吊構(gòu)件對于某些線結(jié)構(gòu)（如管道、線路，橋梁的懸索、斜拉索的連接處等），設(shè)置各種支承或者懸吊消能裝置，當線結(jié)構(gòu)發(fā)生振（震）動時，支承或者懸吊構(gòu)件即發(fā)生消能減震作用，如圖4.3.9所示。 最常見的消能器為粘滯（流體）阻尼器和粘彈性阻尼器。粘滯（流體）阻尼器：基本原理是與結(jié)構(gòu)

36、共同工作的粘滯流體阻尼器的導桿受力，推動活塞運動， 活塞兩邊的高粘性阻尼介質(zhì)產(chǎn)生壓力差，使阻尼介質(zhì)通過阻尼孔，產(chǎn)生阻尼力。4.4b 目前各國抗震規(guī)范中普遍采用“小震不壞、中震可修、大震不倒”設(shè)防水準，與之相適應(yīng)的抗震設(shè)計存在哪些局限性？新興的基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有哪些主要優(yōu)點？進一步綜述基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本思想、基本步驟、結(jié)構(gòu)性能水準和抗震設(shè)防水準、與之相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)計算分析方法、現(xiàn)階段實際工程應(yīng)用還存在的困難、國內(nèi)外研究和實踐的進展。答：1. 目前的抗震設(shè)計存在的局限性（1）按現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范設(shè)計的結(jié)構(gòu)總體上保證了“大震不倒”的安全目標，但是，地震某些結(jié)構(gòu)的損傷極嚴重，結(jié)構(gòu)難以修

37、復(fù)且基本喪失了使用功能?；蛘?，地震作用下結(jié)構(gòu)過大的變形造成了室內(nèi)設(shè)備嚴重損壞，由此帶來的經(jīng)濟損失甚至可能超過建筑物本身的造價?，F(xiàn)行的抗震設(shè)防水準只有三個性能目標，且宏觀定性目標，存在局限性。（2）現(xiàn)行抗震設(shè)計需要依照規(guī)范按部就班, 缺乏靈活性, 結(jié)構(gòu)設(shè)計人員處于被動狀態(tài)。其抗震設(shè)計的實施方法是按照指令性、處方形式的規(guī)定進行設(shè)計：通過結(jié)構(gòu)布置的概念設(shè)計、小震彈性設(shè)計、經(jīng)驗性的內(nèi)力調(diào)整和構(gòu)造處理及部分結(jié)構(gòu)大震變形驗算, 即認為可實現(xiàn)預(yù)期的宏觀的設(shè)防目標。（3）對復(fù)雜結(jié)構(gòu)有局限性, 尚不能適應(yīng)新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)體系發(fā)展要求。2、基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的優(yōu)點（1）強調(diào)建筑結(jié)構(gòu)性能目標的“個性化”.

38、基于性能的抗震設(shè)計除了滿足“共性”外, 更加注重“個性”設(shè)計, 增加了業(yè)主與設(shè)計人員的交流, 根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途及業(yè)主的要求確定結(jié)構(gòu)性能目標后, 設(shè)計人員可以選擇實現(xiàn)該性能目標的設(shè)計方法, 采用相應(yīng)的構(gòu)造措施, 既調(diào)動了設(shè)計人員的積極性,業(yè)主、設(shè)計師有更大的自主權(quán)。（2）不僅強調(diào)保證生命安全，同時強調(diào)避免財產(chǎn)損失。.基于性能的抗震設(shè)計理論提出了多級目標設(shè)計理念, 既要保證生命安全, 又要避免經(jīng)濟損失超過業(yè)主和社會的承受能力, 更加注重非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和內(nèi)部設(shè)施的保護, 因此根據(jù)投資效益準則, 引入經(jīng)濟決策機制, 它通過進行費效分析, 在可靠和經(jīng)濟之間選擇一種合理的平衡, 以確定最佳抗震設(shè)計方案, 達到優(yōu)

39、化設(shè)計的目的。（3）克服現(xiàn)有規(guī)范的局限性與現(xiàn)行抗震設(shè)計方法不同的是，基于性能的抗震設(shè)計除滿足基本要求外, 需要提出符合預(yù)期性能要求的論證, 包括結(jié)構(gòu)體系、詳盡的分析、抗震措施和必要的試驗, 并通過專門的評估予以確認。（4）有利于新材料、新方法的推廣應(yīng)用3. 基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計概述3.1 基本思想基于性能的抗震設(shè)計的概念是指從項目的提出開始，直到建筑壽命結(jié)束的全過程，它包括地震危險性分析、性能水準和性能目標的選擇、場地適應(yīng)性決策、概念設(shè)計、初步設(shè)計、最終設(shè)計、設(shè)計可行性檢查、設(shè)計重復(fù)檢查、施工質(zhì)量保證和建筑物壽命期內(nèi)的維護，每一步都是性能工程的關(guān)鍵，必須達到與選擇的性能目標相適應(yīng)的水平，其中

40、最重要的組成部分是結(jié)構(gòu)設(shè)計。3.2 基本步驟基于性能的抗震設(shè)計主要包括三個步驟：（1）根據(jù)結(jié)構(gòu)的用途、業(yè)主和使用者的特殊要求，采用投資-效益準則，明確建筑結(jié)構(gòu)的目標性能（可以是高出規(guī)范要求的“個性”化目標性能）（2）根據(jù)以上目標性能，采用適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)體系、建筑材料和設(shè)計方法等（而不僅僅限于規(guī)范規(guī)定的方法）進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。（3）對設(shè)計出的建筑結(jié)構(gòu)進行性能評估，如果滿足性能要求，則明確給出設(shè)計結(jié)構(gòu)的實際性能水平，從而使業(yè)主和使用者了解（這是區(qū)別于目前常規(guī)設(shè)計的）；否則返回第一步和業(yè)主共同調(diào)整目標性能，或直接返回第二部重新設(shè)計。3.3 抗震設(shè)防水準根據(jù)美國聯(lián)邦緊急救援署提供的資料，基于性能的抗震研究可以

41、沿用四個性能水準：水準1 基本完好：無永久側(cè)移；結(jié)構(gòu)基本保持原有強度和剛度；結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本不損壞。所有重要設(shè)備仍正常工作。水準2 輕微破壞：無永久側(cè)移；結(jié)構(gòu)基本保持原有強度和剛度；結(jié)構(gòu)構(gòu)件與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件有輕微破壞。電梯能夠重新啟動，防火措施得力。水準3 生命安全：所有樓層都有殘留強度和剛度；承受重力荷載的構(gòu)件仍起作用；不發(fā)生墻體平面外失效或女兒墻倒塌；有永久側(cè)移。隔墻破壞，建筑修復(fù)費用可能很高。水準4 不倒塌：幾乎沒有殘留剛度和強度；但承受荷載的柱子和墻體仍起作用；有大的永久側(cè)移。一些出口被堵，內(nèi)隔墻和無支撐的女兒墻已經(jīng)或開始失效，建筑即將倒塌。3.4 結(jié)構(gòu)計算方法基于性能的抗震設(shè)計

42、方法目前主要有三種：承載力設(shè)計方法、位移設(shè)計方法和能量設(shè)計方法。3.4.1 承載力設(shè)計方法承載力設(shè)計方法是目前各國規(guī)范所普遍采用的方法。3.4.2 位移設(shè)計方法基于位移/性能的抗震設(shè)計方法是近些年來隨著人們對結(jié)構(gòu)抗震認識的深入而產(chǎn)生的。根據(jù)設(shè)計思路的不同，基于位移的抗震設(shè)計可以下分為：直接基于位移的設(shè)計方法、能力譜方法和按延性系數(shù)設(shè)計的方法。直接基于位移的抗震設(shè)計方法是先假定結(jié)構(gòu)的整體側(cè)移模式，并按照結(jié)構(gòu)動力學方法將實際的多自由度體系轉(zhuǎn)化為等效單自由度體系，確定等效單自由度體系結(jié)構(gòu)的彈塑性地震位移反應(yīng)，再根據(jù)側(cè)移模式反算出原多自由度體系各樓層的彈塑性地震位移反應(yīng)，驗算其是否符合限值要求。該抗震

43、設(shè)計方法直接用位移指標衡量結(jié)構(gòu)的性能，比較直觀，計算方法也較為簡單，便于設(shè)計中應(yīng)用。能力譜方法是通過將地震反應(yīng)譜曲線和結(jié)構(gòu)能力譜曲線轉(zhuǎn)換成相同的格式，求得兩個曲線相交點(稱作性能點)的位移(稱作目標位移)，或者采用圖示的方法直觀地評估結(jié)構(gòu)在給定地震作用下的性能。該方法的特點是結(jié)構(gòu)在地震作用下的“需”與“供”較為明確，有助于判斷結(jié)構(gòu)的性能，目前大都采用能力譜方法對結(jié)構(gòu)進行抗震性能評估。按延性系數(shù)設(shè)計的方法就是要考察結(jié)構(gòu)屈服以后的延性反應(yīng)過程，研究構(gòu)件與結(jié)構(gòu)的延性問題。按延性系數(shù)設(shè)計的方法側(cè)重構(gòu)造措施在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的作用，對構(gòu)造措施進行定量分析，并試圖建立一個明確的塑性變形機構(gòu)，使建筑物在遭遇地震時按照預(yù)定的塑性變形方式進行反應(yīng)。3.4.3 能量設(shè)計方法結(jié)構(gòu)在遇到較大地震作用時，會產(chǎn)生非彈性變形，導致能量耗散。能量設(shè)計方法是通過控制結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耗能能力，達到控制整個結(jié)構(gòu)抗震性能的目的。3.5 基于性能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的現(xiàn)狀與研究進展基于性能的抗震理論目前還沒統(tǒng)一的設(shè)計方