高等鋼結(jié)構(gòu)--3,4章塑形設(shè)計(jì)和抗震性能作業(yè)

1、高等鋼結(jié)構(gòu)原理塑性設(shè)計(jì)和抗震性能學(xué)生作業(yè)系（所）：建筑工程系學(xué) 號(hào)：1432055姓 名：焦 聯(lián) 洪培養(yǎng)層次：專業(yè)碩士 2014年12月4日高等鋼結(jié)構(gòu)原理塑性設(shè)計(jì)與設(shè)抗震部分作業(yè)作業(yè)目錄第3章塑性設(shè)計(jì). 3 1.試用簡(jiǎn)單塑性分析法，求出如圖所示超靜定梁的極限荷載. 3 2.鋼框架結(jié)構(gòu)塑性分析需要考慮哪些初始缺陷？設(shè)計(jì)中可選用哪些等效方法和修正分析結(jié)果的方法？. 42.1鋼框架結(jié)構(gòu)塑性分析需要考慮的初始缺陷.42.2設(shè)計(jì)中可選用的等效方法.52.3修正分析結(jié)果的方法.103.什么是Merchant-Rankine破壞準(zhǔn)則？我們應(yīng)如何應(yīng)用該破壞準(zhǔn)則來修正一階剛塑性分析和一階彈塑性分析結(jié)果？.123

2、.1經(jīng)典Merchant-Rankine破壞準(zhǔn)則.123.2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.124.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.134.1彈塑性鉸法.144.2改進(jìn)的塑性鉸方法.144.3塑性區(qū)法.154.4當(dāng)前的研究現(xiàn)狀.164.5后期研究.174.6塑性鉸法及其改進(jìn).184.7塑性區(qū)法高級(jí)分析以及其他有關(guān)結(jié)構(gòu)非線性研究的進(jìn)展.18第4章抗震性能.19 1.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(píng)價(jià)這些措施？.21第 0 頁高等鋼結(jié)構(gòu)原理塑性設(shè)計(jì)與設(shè)抗

3、震部分作業(yè)作業(yè)1.1梁柱剛性連接斷裂破壞原因.21 1.2防止梁柱剛接連接脆性破壞的途徑.222.綜述適用于鋼構(gòu)件、鋼節(jié)點(diǎn)、鋼連接的幾種滯回模型和損傷指數(shù)（重點(diǎn)闡述有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)容) .242.1滯回模型.242.2損傷指數(shù)綜述.263.鋼構(gòu)件、鋼節(jié)點(diǎn)、鋼連接滯回曲線模擬的要點(diǎn)？.283.1 A點(diǎn)加載后的滯回曲線.293.2 B點(diǎn)加載后的滯回曲線.303.3 C點(diǎn)加載后的滯回曲線.324.你了解哪些減震裝置、減震構(gòu)造和減震結(jié)構(gòu)體系？請(qǐng)說明其特點(diǎn)、減震機(jī)理、應(yīng)用實(shí)例和應(yīng)用前景.344.1減震結(jié)構(gòu)體系概述.344.2結(jié)構(gòu)隔震技術(shù).364.3消能減震設(shè)計(jì)原理及方法.404.4減震裝置的應(yīng)用實(shí)例和應(yīng)用

4、前景.42參考文獻(xiàn).45第3章 塑性設(shè)計(jì)1、(3.1b )試用簡(jiǎn)單塑性分析法，求出如圖所示超靜定梁的極限荷載。當(dāng)0< x <1時(shí)，試求最大極限荷載的作用位置和大小。 該結(jié)構(gòu)為一超靜定結(jié)構(gòu)，會(huì)形成兩個(gè)塑性鉸而形成機(jī)構(gòu)發(fā)生破壞。由彎矩圖可以看出最大彎矩在固定端和集中荷載作用處，所以這兩點(diǎn)最先達(dá)到極限彎矩。分析可能有兩種情況，集中荷載作用下固定端先出現(xiàn)塑性鉸，隨荷載繼續(xù)加大集中荷載處出現(xiàn)塑性鉸而發(fā)生破壞（如圖1.1）。集中荷載作用下集中荷載作用處先出現(xiàn)塑性鉸，隨荷載繼續(xù)加大固定端出現(xiàn)塑性鉸而發(fā)生破壞（如圖1.2）。但是兩種情況的最終破壞形態(tài)都相同，結(jié)構(gòu)始終處于彈性范圍內(nèi)（如圖1.3）。

5、圖1.1 固定端先出現(xiàn)塑性鉸 圖1.2 集中荷載作用處先出現(xiàn)塑性鉸 圖1.3 結(jié)構(gòu)最終破壞形態(tài) 在這兩種情況下都以最終破壞形態(tài)作為研究對(duì)象，建立平衡方程。研究B點(diǎn)及其右側(cè)部分：對(duì)B點(diǎn)取矩: （） 解得 且P在（0，）上單調(diào)遞減，在（，）上單調(diào)遞增，所P在取得極小值，結(jié)構(gòu)的最小極限荷載為，作用位置在距A端的位置處。 注：題目中的最大極限荷載應(yīng)該為最小極限荷載，因?yàn)樵谧钚O限荷載結(jié)構(gòu)已發(fā)生破壞，不會(huì)到達(dá)最大極限荷載。2、(3.2d) 鋼框架結(jié)構(gòu)塑性分析需要考慮哪些初始缺陷？設(shè)計(jì)中可選用哪些等效方法和修正分析結(jié)果的方法？2.1鋼框架結(jié)構(gòu)塑性分析需要考慮的初始缺陷鋼框架結(jié)構(gòu)的初始缺陷包括框架整體的初始

6、缺陷和構(gòu)件的初始缺陷。框架整體的初始缺陷規(guī)范通常是允許的，表現(xiàn)為框架的初始偏移；構(gòu)件的初始缺陷僅允許在有側(cè)移框架的細(xì)長(zhǎng)桿件中。構(gòu)件的初始缺陷表現(xiàn)為彎曲和殘余應(yīng)力導(dǎo)致的沿截面和構(gòu)件長(zhǎng)度方向的漸進(jìn)屈服、制造或安裝誤差、二階幾何效應(yīng)、半剛性連接、節(jié)點(diǎn)域剪切變形、節(jié)點(diǎn)剛度等缺陷。 1)其中彎曲及殘余應(yīng)力效應(yīng)殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件來說是存在于截面內(nèi)自相平衡的初始應(yīng)力，它的產(chǎn)生主要是由于熱加工后的不均勻冷卻，受殘余壓應(yīng)力最大纖維首先達(dá)到屈服，繼續(xù)增加外荷載時(shí)，屈服區(qū)不斷向低殘余應(yīng)力部位擴(kuò)展，這種塑性的不斷擴(kuò)展使得沿構(gòu)件長(zhǎng)度方向抗彎剛度降低，造成穩(wěn)承載力的降低。 2）二階幾何效應(yīng)P-彎矩是由軸力作用于桿件相對(duì)于其弦

7、線的側(cè)移產(chǎn)生，P- 彎矩則是軸力作用于桿件兩端相對(duì)側(cè)向位移上產(chǎn)生的。二階彎矩對(duì)細(xì)長(zhǎng)受壓桿件將產(chǎn)生不利影響，在設(shè)計(jì)中必須考慮。 3)幾何缺陷源于不可避免地制造及安裝誤差，包括桿件的初始彎曲，初始偏心以及桿件的初始不平度等。幾何缺陷在桿件上引起附加彎矩，使得構(gòu)件抗彎剛度進(jìn)一步降低。 4)節(jié)點(diǎn)域剪切變形，指框架梁柱的剛性連接節(jié)點(diǎn)處，柱腹板在梁高度范圍內(nèi)的區(qū)域，其可能的受力，節(jié)點(diǎn)域在這些外力作用下會(huì)產(chǎn)生變形，非彈性變形使得層間位移增大，引起附加的P- 效應(yīng)，降低結(jié)構(gòu)剛度和抗側(cè)移能力?？蚣艿某跏既毕菘蚣艿某跏既毕菀?guī)范一般是允許存在?？蚣艿某跏既毕菀妶D2.1。構(gòu)件的初始缺陷存在于有側(cè)移框架中較為細(xì)長(zhǎng)的的構(gòu)

8、件中，其他情況下的構(gòu)件初始缺陷都包含在屈曲相關(guān)曲線中。構(gòu)件的初始缺陷見圖2.2。 圖2.1框架初始缺陷 圖2.2 構(gòu)件初始缺陷 針對(duì)現(xiàn)有鋼框架工程實(shí)測(cè)初始缺陷呈隨機(jī)分布的現(xiàn)象, 可以采用蒙特卡羅法研究隨機(jī)初始幾何缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)二階變形的影響。所得變形僅略大于理想結(jié)構(gòu)的二階變形, 遠(yuǎn)小于其它規(guī)范方法所求得的變形。2.2設(shè)計(jì)中可選用的等效方法2.2.1歐規(guī)（EC3）采用的方法框架初始偏移的取值按下列公式取值： 如果則；如果則；如果則。如果則；如果則；如果則。其中 每層全高柱的數(shù)目框架總層數(shù)按歐規(guī)EC3計(jì)算框架初始偏移的等效水平力 框架的初始缺陷可以用一個(gè)等效自平衡水平力系統(tǒng)來代替，水平力作用于每層的樓

9、板處（包括基礎(chǔ)水平面）如圖2.3。圖2.3框架初始偏移等效水平力2.2.2按中規(guī)GB 50017-201X采用的計(jì)算辦法框架初始偏移的取值結(jié)構(gòu)整體初始幾何缺陷模式可通過第一階彈性屈曲模態(tài)確定?？蚣芙Y(jié)構(gòu)整體初始幾何缺陷代表值可由下式確定且不小于，參見圖2.4。 圖2.4框架初始偏移的取值其中所計(jì)算樓層的初始缺陷代表值框架總層數(shù)，且所計(jì)算樓層的高度框架初始偏移的等效水平力框架結(jié)構(gòu)整體初始幾何缺陷代表值也可通過在每層柱頂施加由下式計(jì)算的假想水平力等效考慮，假想水平力的施加方向應(yīng)考慮荷載的最不利組合，參見圖2.5。圖2.5框架初始偏移的等效水平力（3.6）其中：第i樓層的總重力荷載設(shè)計(jì)值框架總層數(shù)，當(dāng)

10、時(shí)，取此根號(hào)值為1框架初始偏移的等效水平力框架結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的缺陷（包括殘余應(yīng)力）可以用假想水平力進(jìn)行等效計(jì)算，假想水平力的施加方向應(yīng)考慮荷載的最不利組合，見圖2.6。圖2.6框架結(jié)構(gòu)等效假想水平力構(gòu)件初始缺陷和等效荷載構(gòu)件（含支撐構(gòu)件）的初始缺陷代表值可由下式計(jì)算確定，該缺陷值包括了殘余應(yīng)力的影響。 圖2.7 構(gòu)件等效假想水平力2.2.3考慮結(jié)構(gòu)真實(shí)初始幾何缺陷的高等設(shè)計(jì)方法 針對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)真實(shí)缺陷的大小和方向具有隨機(jī)性的問題, 采用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)蒙特卡羅拉丁超立方抽樣過程來模擬多高層鋼框架結(jié)構(gòu)的隨機(jī)初始缺陷。在結(jié)構(gòu)中分別引人框架柱頂初始側(cè)移、框架柱初始彎曲以及框架梁初始彎曲的隨機(jī)變量, 且

11、均符合正態(tài)分布的概率模型。以鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范關(guān)于鋼柱垂直度和構(gòu)件彎曲失高的允許偏差為依據(jù), 將規(guī)范允許值的1.5倍作為蒙特卡羅法抽取結(jié)構(gòu)構(gòu)件隨機(jī)初始缺陷樣本的限值。將蒙特卡羅法隨機(jī)抽取的500組初始側(cè)移和初始彎曲樣本均依缺陷分布形式分別代人每個(gè)有限元模型, 抽取的樣本已包含了隨機(jī)缺陷的大小和方向。當(dāng)具有隨機(jī)缺陷的結(jié)構(gòu)模型按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì), 并通過高等分析求出相應(yīng)于極限承載力時(shí)的設(shè)計(jì)荷載后, 再按相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)荷載驗(yàn)算其正常使用極限狀態(tài)下的變形性能, 并采用參數(shù)化計(jì)語言（APDL）對(duì)高等分析結(jié)果進(jìn)行后處理, 對(duì)每種工況下的隨機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)。根據(jù)框架位移的分布函數(shù), 確定當(dāng)

12、置信度為95%時(shí)的特征值作為框架各層柱頂側(cè)移和梁跨中撓度, 得到每種工況下各隨機(jī)缺陷模型的變形性能。2.2.4 基于變形性能的實(shí)用高等設(shè)計(jì)方法2.8基于變形性能的實(shí)用高等設(shè)計(jì)方法流程首先分析標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下框架的變形性能, 再驗(yàn)算基本荷載組合下結(jié)構(gòu)的承載能力。使高等設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單合理,采用蒙特卡羅法拉丁超立方抽樣技術(shù)模擬了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的隨機(jī)缺陷, 重點(diǎn)研究了初始幾何缺陷、幾何非線性、材料非線性等因素對(duì)結(jié)構(gòu)變形性能的影響, 提出了一種基于變形性能的實(shí)用高等設(shè)計(jì)方法。2.3修正分析結(jié)果的方法2.3.1塑性分析結(jié)果的修正可采用Merchant-Rankine準(zhǔn)則進(jìn)行塑性分析結(jié)果的修正。如圖2.9圖2.9 塑

13、性分析修正結(jié)果框架整體分析方法有：一階彈性分析、一階剛-塑性分析、彈性臨界載荷、二階彈性分析、二階剛-塑性分析、一階彈-塑性理論、二階彈-塑性分析、二階塑性區(qū)域分析法。2.3.2二階彈塑性分析 1）先進(jìn)分析設(shè)計(jì)法 多層多跨框架在重力和水平荷載作用下多處出現(xiàn)塑性鉸和塑性區(qū)，導(dǎo)致其剛度逐漸退化而最終失去穩(wěn)定。有些桿件還因殘余應(yīng)力的存在而全場(chǎng)都有一些塑性發(fā)展。精確確定框架的承載能力極限狀態(tài)，不僅需要具體考慮殘余應(yīng)力和幾何缺陷的效應(yīng)，還要計(jì)及荷載對(duì)變形的二階效應(yīng)。全面考慮上述效應(yīng)來分析框架的荷載-變形路徑直至框架喪失穩(wěn)定，稱為先進(jìn)分析設(shè)計(jì)法。 這種方法要求把每根桿件劃分為多個(gè)單元，桿件截面還要?jiǎng)澐殖杀?/p>

14、多小單元，加上材料和幾何的雙重非線性，計(jì)算工作量十分龐大，不適合于日常設(shè)計(jì)工作。2）改善的塑性鉸法 先進(jìn)分析設(shè)計(jì)法實(shí)用化的一種方法叫做改善的塑性鉸法，這種方法以每根桿件作為一個(gè)單元，其截面無需劃分為小單元，從而使計(jì)算工作量大為減少。不過此方法仍然屬于二階彈塑性，并且要引進(jìn)柱子的初始彎曲和初始傾斜。 對(duì)失穩(wěn)時(shí)無側(cè)移的有撐框架，柱的初始彎曲矢度取L/1000，也可以代之以位于柱高度中央的假想水平荷載0.004N；對(duì)有側(cè)移框架，幾何缺陷取為初始傾斜率1/500，也可以用假想荷載0.002N作用于柱頂。 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，也可把幾何缺陷的效應(yīng)和切線模量綜合起來，降低切線模量，就無需考慮初始矢度或者假想荷載

15、。3）剛-塑性整體分析法 剛-塑性整體分析則是把節(jié)點(diǎn)在塑性鉸處考慮為結(jié)點(diǎn)，發(fā)生塑性變化，而結(jié)點(diǎn)以外梁柱其他地方仍然認(rèn)為是剛性。 4）二階彈性分析法 二階彈塑性分析進(jìn)一步簡(jiǎn)化，則使用二階彈性分析取代彈塑性分析。 為此，需要采取附加措施來照顧因塑性出現(xiàn)而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)剛度下降。其一是假想荷載法，才用此法時(shí)框架每層柱頂施加等于該處橫梁總重力荷載0.005倍的假想水平荷載；其二是剛度修正法，對(duì)柱剛度進(jìn)行折減。 二階彈性分析不能給出框架荷載-變形的實(shí)際過程，各個(gè)柱的穩(wěn)定仍需逐個(gè)計(jì)算。不過，由于二階分析所得的內(nèi)力已經(jīng)含有P-效應(yīng)，才用這兩種方法時(shí)柱的計(jì)算長(zhǎng)度都取為桿件的實(shí)際幾何長(zhǎng)度。 5）考慮結(jié)構(gòu)真實(shí)初始幾何

16、缺陷的高等設(shè)計(jì)方法 基于變形性能的實(shí)用高等設(shè)計(jì)方法適用于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和二階效應(yīng)對(duì)變形性能有明顯影響的多高層框架。此外還有：直接分析設(shè)計(jì)法應(yīng)同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的初始缺陷。節(jié)點(diǎn)連接剛度和其他對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有顯著影響的因素，以及幾何非線性、材料非線性以及節(jié)點(diǎn)剛度和構(gòu)件殘余應(yīng)力等缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件內(nèi)力產(chǎn)生的影響。應(yīng)建立帶缺陷的整體結(jié)構(gòu)模型并采用帶缺陷的構(gòu)件單元，進(jìn)行二階彈塑性分析法全過程分析。允許材料的彈塑性發(fā)展。內(nèi)力重分布，獲得各種設(shè)計(jì)荷載下的內(nèi)力和位移。  空間鋼框架的二階非線性分析有多種方法，這些方法大致可以分為：（1）塑性區(qū)法(plastic zone method) 。塑性

17、區(qū)高級(jí)分析方法將構(gòu)件截面劃分成若干有限面積分區(qū)，截面的切線剛度就由這些面積分區(qū)的彈性特性形成，截面的抗力和彎矩也由分區(qū)面積的抗力效應(yīng)累加形成，利用牛頓拉普森系列迭代法使不平衡的內(nèi)力和外力重分配。（2）準(zhǔn)塑性鉸法(quasi plastic hinge method)。準(zhǔn)塑性鉸法是介于塑性區(qū)法和塑性鉸法之間的混合方法，該方法利用柔性系數(shù)考慮塑性的擴(kuò)展，使用簡(jiǎn)化的殘余應(yīng)力模式，全截面塑性用塑性區(qū)法標(biāo)定。（3）塑性鉸法(plastic hinge method，or concentrated plasticity method)及以塑性鉸概念為基礎(chǔ)的改進(jìn)方法。塑性鉸高級(jí)分析方法將構(gòu)件的屈服集中到幾個(gè)

18、截面上，用彈簧模擬塑性鉸形成截面的切線剛度。這樣塑性鉸法避免了將一個(gè)截面劃分成多個(gè)小的面積分區(qū)，多數(shù)構(gòu)件只需劃分成一兩個(gè)單元，并且保持了較高的精度，這就大大減小了結(jié)構(gòu)剛度矩陣的大小，簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)分析過程，提高了效率。3、(3.3d )什么是Merchant-Rankine破壞準(zhǔn)則？我們應(yīng)如何應(yīng)用該破壞準(zhǔn)則來修正一階剛塑性分析和一階彈塑性分析結(jié)果？3.1 經(jīng)典Merchant-Rankine破壞準(zhǔn)則 Merchant-Rankine失效準(zhǔn)則是用來預(yù)測(cè)由于結(jié)構(gòu)有屈曲的趨勢(shì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力減少到低于結(jié)構(gòu)的塑性極限承載力。經(jīng)典Merchant-Rankine破壞準(zhǔn)則不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)是一種成熟的被廣泛

19、接的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 將外部施加的載荷等于極限承載力狀態(tài)荷載，要求必須不小于1.0。在上述公式中，應(yīng)用Merchant-Rankine破壞準(zhǔn)則來檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的承載力是非簡(jiǎn)單的，但是還要計(jì)算一系列的軸力、剪力和彎矩來構(gòu)件的穩(wěn)定性驗(yàn)算。 應(yīng)用Merchant-Rankine破壞準(zhǔn)則修正一階剛塑性分析和一階彈塑性分析結(jié)果而在規(guī)范EC3中，Merchant-Rankine破壞準(zhǔn)則被表示成一個(gè)系數(shù)，這個(gè)系數(shù)應(yīng)用于塑性破壞機(jī)制中的力和彎矩，并假設(shè)。EC3規(guī)范中的該系數(shù)推導(dǎo)如下： 3.2 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通過引入系數(shù)，Merchant-Rankine破壞

20、準(zhǔn)則可以應(yīng)用于一階彈塑性分析，在塑性鉸形成時(shí)，作為一個(gè)折減系數(shù)應(yīng)用于荷載載系數(shù)的計(jì)算過程中，具體形式見下式，如圖3.1：圖3.1荷載-變形圖荷載系數(shù)=（一階彈塑性分析得到的荷載系數(shù)）×（）應(yīng)用Merchant-Rankine破壞準(zhǔn)則驗(yàn)算承載力的具體步驟如下：選擇初始界面。計(jì)算初始界面的屈曲臨界荷載。計(jì)算系數(shù)。根據(jù)Merchant-Rankine破壞準(zhǔn)則，將截面的塑性承載力除以。利用第（4）步得到的塑性承載力對(duì)框架進(jìn)行剛塑性。驗(yàn)算第五步得到的破壞荷載是否系數(shù)1.0。（a）或者采用系數(shù)放大所有內(nèi)部彎矩和力（如彎矩、剪力和軸力），運(yùn)用由此產(chǎn)生的一系列內(nèi)力來驗(yàn)算構(gòu)件的穩(wěn)定性。（b）利用減掉的

21、抗力來驗(yàn)算結(jié)構(gòu)第一階段的彎矩和力。4、（3.4d）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。(參見課件p.60-63,p.100-109)從上世紀(jì)七十年代開始，許多專家和學(xué)者都曾致力于鋼框架高等分析方法的研究和檢驗(yàn)工作。這些方法都可以對(duì)以上提出的非線性因素做不同程度考慮，按其采用有限元模型的不同主要可以分為兩類：塑性區(qū)方法，彈塑性鉸方法。塑性區(qū)方法是真正意義上精確的彈塑性分析方法，但計(jì)算費(fèi)用很高；彈塑性鉸法是一種簡(jiǎn)化方法，效率較高，但在某些情況下會(huì)出現(xiàn)較大的分析誤差。各種塑性分析方法的典型荷載位移曲線。分析方法包括的范圍（表1）從二維荷載作用下的二維框架平面內(nèi)屈服到三維荷載作用

22、的三維框架結(jié)構(gòu)在空間彎扭及局部屈曲聯(lián)合作用下的屈服。上世紀(jì)七十年代到九十年代各種改進(jìn)塑性鉸法、各種塑性區(qū)方法的研究應(yīng)用展。4.1 彈塑性鉸法 彈塑性鉸法基于集中塑性的概念，假定在單元的兩端形成零長(zhǎng)度的塑性鉸，其他部分仍保持完全彈性。這種方法簡(jiǎn)單且效率較高，但不能考慮塑性在截面上的發(fā)展和殘余應(yīng)力引起的沿桿長(zhǎng)方向的漸變塑性分布。它包括一階和二階彈塑性鉸分析方法，其中一階方法忽略了幾何非線性的影響，以初始構(gòu)形為參考建立平衡方程，所得極限荷載與傳統(tǒng)的剛塑性方法相同；二階分析方法采用穩(wěn)定函數(shù)考慮了結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)形的變化，用一個(gè)梁-柱單元來模擬一根構(gòu)件，對(duì)在彈性狀態(tài)失效的細(xì)長(zhǎng)桿件分析結(jié)果與塑性區(qū)方法非常接近，

23、但對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比較小的構(gòu)件，則會(huì)過高的估計(jì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。因此必須對(duì)其做出較大的改進(jìn)才能應(yīng)用到實(shí)際的結(jié)構(gòu)分析中。4.2 改進(jìn)的塑性鉸方法4.2.1 名義荷載塑性鉸法 名義荷載塑性鉸法沒有在理論上對(duì)彈塑性鉸模型進(jìn)行修改，只是人為的在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中施加等效的名義橫向荷載來近似考慮在框架分析中未考慮的殘余應(yīng)力、框架缺陷和分布塑性效應(yīng)等非線性因素對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的不利影響。對(duì)于無側(cè)移的支撐框架和構(gòu)件，在桿中位置處施加大小為0.01P（P 為豎向荷載）的名義橫向值；對(duì)于有側(cè)移框架，則在柱頂位置處施加0.005P 的名義橫向荷載。EC3（CEN1990）、CSAS16.1（CSA1989）和AS4100（SA

24、A4100）都采用了類似的方法。這種方法簡(jiǎn)單，但對(duì)于受軸力和彎矩共同作用的傾斜柱強(qiáng)度估計(jì)與精確值相比低20%以上，對(duì)單個(gè)梁柱構(gòu)件則產(chǎn)生大于精確值10%的誤差。4.2.2 精化的塑性鉸法 基于彈塑性鉸模型的平面框架精化塑性鉸分析方法，引入了切線模量和彎曲剛度降低系數(shù)，用切線模量來考慮軸力較大時(shí)殘余應(yīng)力對(duì)塑性區(qū)沿桿軸線方向的分布的影響，可通過CRC 柱子強(qiáng)度公式或LRFD 柱子強(qiáng)度公式計(jì)算；彎曲剛度降低系數(shù)則用來考慮單元兩端截面的漸變塑性，具有二次拋物線形式，并滿足LRFD 梁柱軸力-彎矩強(qiáng)度相關(guān)公式和初始屈服面方程定義。由于CRC 柱子強(qiáng)度公式?jīng)]有包含初始幾何缺陷的影響，當(dāng)采用這種方法時(shí)對(duì)切線模

25、量進(jìn)行了再次折減（取系數(shù)0.85）。但這種方法假定截面為緊湊型截面，并且不考慮局部屈曲及平面外彎扭屈曲的影響，同時(shí)由于假定塑性鉸只出現(xiàn)在桿端，對(duì)于承受分布荷載的結(jié)構(gòu)也不能有效地進(jìn)行模擬分析，需要加以修正。這種方法同塑性鉸模型一樣簡(jiǎn)單、高效，經(jīng)過修正還能足夠精確的估計(jì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定，還可以進(jìn)一步對(duì)單元的剛度矩陣進(jìn)行修正來考慮節(jié)點(diǎn)非線性的影響，是當(dāng)前鋼框架結(jié)構(gòu)高等分析中應(yīng)用最多的方法。4.2.3偽塑性區(qū)法 為了在精化塑性鉸模型中考慮局部失穩(wěn)的影響，澳大利亞學(xué)者在進(jìn)行了一系列短梁柱的三維殼單元塑性區(qū)分析后，提出偽塑性區(qū)方法對(duì)精化塑性鉸模型進(jìn)行了改進(jìn)。該方法引入了整體幾何缺陷降低系數(shù)、改進(jìn)的穩(wěn)

26、定函數(shù)、分別考慮軸向和彎曲切向模量等一系列概念。并定義整體幾何缺陷降低系數(shù)為豎向荷載與水平荷載之比、初始橫向撓度以及橫向撓度的函數(shù)；切線模量則被分為軸向切線模量和彎曲切向模量。其中軸向切線模量以無因次形式直接出現(xiàn)在單元增量剛度矩陣中，影響單元的軸向剛度；彎曲切向模量則用于調(diào)整影響彎曲剛度的穩(wěn)定函數(shù)和彎曲剛度降低系數(shù)（以端彎矩比值的函數(shù)形式表示）。除上述方法外，許多專家和學(xué)者還提出了其他的鋼框架高等分析方法，分別從不同的方面對(duì)非線性因素進(jìn)行了考慮和模擬。4.3 塑性區(qū)法 塑性區(qū)方法是把結(jié)構(gòu)構(gòu)件沿長(zhǎng)度方向離散，并把截面化分成纖微單元。構(gòu)件節(jié)點(diǎn)處的變形通過數(shù)值積分獲得，在每一荷載步更新坐標(biāo)以使增量荷

27、載變形響應(yīng)能充分描述二階效應(yīng)。由于纖維劃分的很小，單元內(nèi)的殘余應(yīng)力可假定為常數(shù)，可以直接跟蹤纖維單元內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)以反映塑性的漸變發(fā)展。因塑性區(qū)分析直接包含了分布塑性、殘余應(yīng)力、初始幾何缺陷及其他顯著的二階效應(yīng)，不必對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單個(gè)構(gòu)件承載力驗(yàn)算。塑性區(qū)模型包括兩種：一是基于塑性變形理論的三維殼單元，當(dāng)單元屈服時(shí)，在增量應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中用彈塑性本構(gòu)關(guān)系矩陣取代彈性矩陣，可以同時(shí)考慮正應(yīng)力和剪應(yīng)力對(duì)塑性發(fā)展的影響，整體和局部初始幾何缺陷及板間局部失穩(wěn)等因素的影響，屬于真正意義上的精確彈塑性分析方法。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(jì)算彈塑性剛度矩陣，計(jì)算量極大，只適用于小

28、型結(jié)構(gòu)分析以及需要考慮結(jié)構(gòu)局部板件失穩(wěn)和屈服等細(xì)部特性。另一種方法基于梁-柱理論，當(dāng)任一單元形心處計(jì)算正應(yīng)力達(dá)到材料單軸應(yīng)力強(qiáng)度，即認(rèn)為此單元屈服。由于荷載-變形的非線性關(guān)系，外荷載增量引起的截面非彈性區(qū)有效剛度的不斷變化及幾何形狀的不斷改變使得結(jié)構(gòu)在屈服后的力與變形計(jì)算需要迭代求解。因此，盡管作為 “精確”解法，在目前階段的工程設(shè)計(jì)中還不能應(yīng)用，只限用于以下幾個(gè)方面：鋼結(jié)構(gòu)細(xì)部特性研究；驗(yàn)證簡(jiǎn)化方法的精度；對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果；導(dǎo)出設(shè)計(jì)公式和實(shí)用圖表；特殊的設(shè)計(jì)問題。4.4 當(dāng)前的研究現(xiàn)狀 20 世紀(jì)年代提出的鋼結(jié)構(gòu)高等分析理論，受計(jì)算機(jī)等相關(guān)因素的影響，直到90 年代初才得到較快的發(fā)展，并引起了很

29、多學(xué)者和研究人員的關(guān)注。其中W.F. Chen、J.Y.R. Liew、S.E. Kim、S.L. Chan、Y.B. Yang、S.R. Kuo、及李國強(qiáng)、徐偉良、舒興平、沈世釗、張耀春、王孟鴻等在相關(guān)理論發(fā)展方面都作了很多工作。W.F. Chen 對(duì)鋼結(jié)構(gòu)高等分析的概念做出了精確的解釋，并在平面鋼框架的二階分析和塑性鉸分析模型方面作了很多工作，通過彈塑性相關(guān)方程考慮了鋼結(jié)構(gòu)的塑性狀態(tài)，提出了精確的塑性鉸概念，在對(duì)鋼框架的雙重非線性和半剛性連接穩(wěn)定分析作了總結(jié)后，指出了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。J.Y.R. Liew 深入的分析了平面鋼框架的塑性鉸模型后,提出了精化的塑性鉸理論，引入穩(wěn)定函數(shù)

30、推導(dǎo)了空間梁-柱構(gòu)件的切線剛度矩陣，并考慮了弓形效應(yīng)的影響，利用精化的塑性鉸法較為精確的分析了空間框架體系的彈塑性行為，但未考慮構(gòu)件截面翹曲的影響；他還基于塑性區(qū)模型對(duì)空間框架進(jìn)行了彈塑性分析，通過Mises 屈服準(zhǔn)則和相關(guān)流動(dòng)法則機(jī)等向硬化假設(shè)和對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值積分的方法考慮了非線性因素的影響，采用混合單元對(duì)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，由于本構(gòu)方程簡(jiǎn)單，不能反映結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后的真實(shí)變化；W.F. Chen 和J.Y.R. Liew 還深入研究了半剛性節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)域剪切變形對(duì)整體結(jié)構(gòu)承載性能的影響，提出了簡(jiǎn)化的模擬方法。 S.E. Kim 基于精化塑性鉸法提出了考慮彎扭屈曲、局部屈曲及分布荷載影響的

31、分析模型，這些模型引入了LRFD 規(guī)范公式的彎扭屈曲強(qiáng)度Mn 及局部曲Mn、Fcr 來考慮它們的作用，但在計(jì)算彎扭屈曲影響時(shí)忽略了局部屈曲、翹曲、半剛性連接及節(jié)點(diǎn)域剪切變形的影響，并指出無支撐長(zhǎng)度、截面形狀和材料性是確定局部屈曲強(qiáng)度的重要因素；同樣在考慮局部屈曲時(shí)，則忽略了彎扭屈曲等因素的影響。因此模型的適用性受到較大限制。而對(duì)于線性分布荷載作用，采用了增量形式的穩(wěn)定函數(shù)表達(dá)式，考慮到軸力為零時(shí)函數(shù)的不穩(wěn)定性改用級(jí)數(shù)近似表達(dá)。S.E. Kim 等還對(duì)三個(gè)兩層單跨空間鋼框架進(jìn)行了足尺模型試驗(yàn)，給出了荷載唯一曲線，發(fā)現(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)果相比，由于沒有考慮非彈性的彎矩重分布，LRFD 公式的計(jì)算保守25%。

32、S.L. Chan 引入彈簧并對(duì)其剛度進(jìn)行折減來模擬塑性沿截面的擴(kuò)展，以正弦半波分布得初始幾何彎曲作為初始構(gòu)形，建立梁?jiǎn)卧胶馕⒎址匠炭紤]初始幾何缺陷的影響。他用一種特殊單元模擬了單元?jiǎng)偠群蜅U件荷載之間的相互作用，但分析中假定為理想彈塑性材料且忽略了剪切變形和翹曲的影響3435。同時(shí)還用不同寬厚比的受壓板件在相同邊界條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系作為切線模量來考慮局部和整體失穩(wěn)的相關(guān)作用。Y.B. Yang 和S.R. Kuo 的工作則集中在框架體系幾何非線性分析方面，基于U.L.列式的虛位移原理推導(dǎo)了考慮了彎矩和扭矩的耦合效應(yīng)的薄壁構(gòu)件單元?jiǎng)偠染仃嚭桶▓A弧曲梁在內(nèi)的各種空間框架體系的切線剛度矩陣，

33、并對(duì)非線性問題的求解算法進(jìn)行了深入的探討，首次提出了“廣義位移法”求解非線性方程。 李國強(qiáng)、沈祖炎將Giberson 提出的端彈簧模型加以完善和發(fā)展，提出把單元端部轉(zhuǎn)角分解為彈性轉(zhuǎn)角和塑性轉(zhuǎn)角，用來考慮截面的漸變塑性、材料強(qiáng)化和卸載效應(yīng)，只是彈塑性剛度矩陣根據(jù)Drucker 屈服準(zhǔn)則及內(nèi)力屈服面方程導(dǎo)出，很難將屈服端的內(nèi)力保持在屈服面上。 舒興平對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈塑性大變形分析，基于有限變形理論及內(nèi)力屈服面塑性流動(dòng)理論推導(dǎo)了精確計(jì)算平面鋼框架結(jié)構(gòu)二階效應(yīng)的非線性剛度方程，計(jì)入剪切變形的影響，對(duì)鋼框架進(jìn)行了彈塑性大變形分析，但沒有考慮硬化效應(yīng)、半剛性連接、局部屈曲及彎扭失穩(wěn)等因素的影響，適用性

34、有一定限制，同時(shí)還提出了一種考慮節(jié)點(diǎn)域剪切變形影響的空間鋼框架結(jié)構(gòu)分析方法。 徐偉良提出了鋼框架二階彈塑性分析的簡(jiǎn)化塑性區(qū)法和考慮半剛性連接的修正塑性區(qū)法，并將傳統(tǒng)的梁-柱法與有限單元法結(jié)合建立了梁柱簡(jiǎn)化塑性區(qū)單元模式的彈塑性大位移增量剛度矩陣。但他假定截面剛度線性退化，塑性變形僅發(fā)生在桿端附近的局部區(qū)域，沒有考慮剪切變形、局部屈曲和平面外屈曲的影響，不能對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力進(jìn)行很好的模擬。 沈世釗的主要工作則集中在結(jié)構(gòu)幾何非線性分析及穩(wěn)定性分析方面，對(duì)空間單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的非線性分析進(jìn)行了深入研究。張耀春在塑性鉸方面也作了很多工作。王孟鴻對(duì)高等分析理論開展了系統(tǒng)的研究，從更新Lagrange 構(gòu)形的

35、虛位移原理出發(fā)，以控制微分方程的解作為形函數(shù)，基于空間薄壁構(gòu)件理論考慮截面翹曲影響，推導(dǎo)了單元切線剛度矩陣，并提出了通過空間板殼單元考慮局部屈曲影響的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)采用 Frye和Morris 多項(xiàng)式模型模擬了節(jié)點(diǎn)的半剛性性能，推導(dǎo)了考慮節(jié)點(diǎn)與受力性能和剪切變形性能的殼單元雙重非線性單元?jiǎng)偠染仃?。還據(jù)此理論編制了大型鋼結(jié)構(gòu)分析程序-XJDAAST。4.5 后期研究 空間鋼框架的二階非線性分析的方法大致可以分為：（1）塑性區(qū)法(plastic zone method) 。塑性區(qū)高級(jí)分析方法將構(gòu)件截面劃分成若干有限面積分區(qū)，截面的切線剛度就由這些面積分區(qū)的彈性特性形成，截面的抗力和彎矩也由分區(qū)面積

36、的抗力效應(yīng)累加形成，利用牛頓拉普森系列迭代法使不平衡的內(nèi)力和外力重分配。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。這些軟件包括ABAQUS、ANSYS、MARC等通用的商業(yè)軟件（2）準(zhǔn)塑性鉸法(quasi plastic hinge method)11。準(zhǔn)塑性鉸法是介于塑性區(qū)法和塑性鉸法之間的混合方法，該方法利用柔性系數(shù)考慮塑性的擴(kuò)展，使用簡(jiǎn)化的殘余應(yīng)力模式，全截面塑性用塑性區(qū)法標(biāo)定。該方法很難進(jìn)一步發(fā)展用于空間結(jié)構(gòu)分析。（3）塑性鉸法(plastic hinge method，or concentrated plasticity method)是以塑性鉸概念為

37、基礎(chǔ)的改進(jìn)方法。塑性鉸高級(jí)分析方法將構(gòu)件的屈服集中到幾個(gè)截面上，用彈簧模擬塑性鉸形成截面的切線剛度。這樣塑性鉸法避免了將一個(gè)截面劃分成多個(gè)小的面積分區(qū)，多數(shù)構(gòu)件只需劃分成一兩個(gè)單元，并且保持了較高的精度，這就大大減小了結(jié)構(gòu)剛度矩陣的大小，簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)分析過程，提高了效率。4.6 塑性鉸法及其改進(jìn)塑性鉸法最初發(fā)展起來的是彈塑性鉸分析法。該方法一般假定構(gòu)件不發(fā)生局部屈曲，即限定構(gòu)件采用緊湊型截面（compact section）。允許單元端部形成零長(zhǎng)度的塑性鉸，單元的其他部分則保持完全彈性。這一方法從一定程度上考慮了非彈性，但不考慮屈服在塑性鉸形成截面上以及在兩鉸之間的擴(kuò)展，兩鉸之間殘余應(yīng)力的影響

38、不能考慮。這種簡(jiǎn)單的方法用穩(wěn)定函數(shù)模擬幾何非線性。對(duì)于主要發(fā)生彈性屈曲的細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，彈塑性鉸法與塑性區(qū)法計(jì)算結(jié)果符合很好；然而對(duì)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，用該方法預(yù)測(cè)承載能力誤差較大。用彈塑性鉸法得到的計(jì)算結(jié)果對(duì)于細(xì)長(zhǎng)柱內(nèi)力較小的剛架與塑性區(qū)法較接近，但是一般多層多跨剛架的承載力均偏高，有的剛架偏高的幅度很大。一些學(xué)者致力于研究基于塑性鉸概念的改進(jìn)方法改進(jìn)塑性鉸法。Orbison、Prakash和Powell、Chen、Liew和Tang、Kim等、Wongkaew，以及其他研究者，利用塑性鉸法或者改進(jìn)塑性鉸法作

39、了鋼框架二階非線性分析的研究。Orbison使用彈塑性鉸分析方法，材料非線性用切線模量考慮，幾何非線性用幾何剛度矩陣處理。該方法不考慮剪切變形，對(duì)僅承受軸向力的短構(gòu)件誤差較大。Prakash和Powell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和Tang使用的是改進(jìn)塑性鉸法，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(jì)入描述材料屈服面邊界面（yield and bounding surface

40、s）的非彈性參數(shù)的方式考慮。該方法對(duì)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(shí)也提出了處理幾何缺陷的具體方法。這種方法考慮的因素較為全面。總的來看， Chen 、Liew和tang等發(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(jiǎn)單有效，同時(shí)保持了對(duì)結(jié)構(gòu)體系及其構(gòu)件承載能力和穩(wěn)定性計(jì)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(jí)分析延伸。有研究者主張先利用現(xiàn)有塑性鉸法

41、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(shí)用高級(jí)分析。文獻(xiàn)用LRFD公式計(jì)算不同側(cè)向支撐長(zhǎng)度下的側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲強(qiáng)度，如果無側(cè)向支承的長(zhǎng)度超過發(fā)生全截面（面內(nèi)）屈服的極限長(zhǎng)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（AISCLRFD雙線性相關(guān)公式）。文獻(xiàn)15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(duì)平面外屈曲的影響。對(duì)空間框架的分析時(shí)其使用的分析單元共有12個(gè)自由度（每個(gè)端部6個(gè)），忽略了翹曲約束的影響。改進(jìn)塑性鉸法可以考慮二階效應(yīng)、材料非線性和幾

42、何缺陷等多種非線性因素的影響，利用計(jì)算機(jī)程序?qū)︿摽蚣苓M(jìn)行整體分析，并且具有對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求不高、計(jì)算省時(shí)同時(shí)又可以滿足工程設(shè)計(jì)精度要求等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)的方法，成為實(shí)用的二階非線性鋼框架設(shè)計(jì)方法。但是因?yàn)樗苄糟q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(duì)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)。4.7 塑性區(qū)法高級(jí)分析以及其他有關(guān)結(jié)構(gòu)非線性研究的進(jìn)展塑性區(qū)法用于結(jié)構(gòu)分析較早，國內(nèi)外的研究成果相對(duì)多一些。Vogel用塑性區(qū)法（塑性分配法）

43、分析了緊湊型截面二維框架，其結(jié)果被廣泛用作檢驗(yàn)框架分析精確程度的標(biāo)準(zhǔn)。Avery則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(yàn)檢驗(yàn)其分析模型的精度。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(jì)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(gè)單元，這也證實(shí)了塑性鉸法的效率。此外，Yeong-B. Y和Kuo-S. R對(duì)框架體系的幾何非線性分析進(jìn)行了深入的分析，并首次提出了利用“廣義位移法”求解非線性方程。Buonopane等

44、總結(jié)了高級(jí)分析設(shè)計(jì)的可靠度研究，考慮結(jié)構(gòu)特性和荷載的隨機(jī)性。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(diǎn)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(shí)用的三維空間鋼結(jié)構(gòu)的彈、塑性分析軟件，所做的工作目前是國內(nèi)較為全面的。舒興平等作了鋼框架結(jié)構(gòu)二階彈塑性穩(wěn)定極限承載力的試驗(yàn)研究和分析，郭兵、顧正維、王新武等對(duì)剛框架的半剛性連接作了研究。沈世釗教授、董石麟教授、張耀春教授、尹德鈺教授對(duì)空間單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的非線性行為進(jìn)行了深入研究，他們的研究?jī)?nèi)容也是空間結(jié)構(gòu)高級(jí)分析的重要組成部分

45、。國內(nèi)其他研究者對(duì)剛框架及其構(gòu)件非線性分析等問題作了研究。塑性區(qū)法的高級(jí)分析尚有待簡(jiǎn)化，比如使用包括梁柱單元的混合單元，才能普遍用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)。改進(jìn)塑性鉸法作為一種可行的整體分析方法，已能夠考慮二階非線性、幾何非線性、材料非線性、連接非線性等影響鋼框架的強(qiáng)度和穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，有望成為鋼框架工程設(shè)計(jì)的實(shí)用方法。 改進(jìn)塑性鉸法用穩(wěn)定函數(shù)法或有限元分析方程推導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?，考慮二階效應(yīng)的影響。對(duì)殘余應(yīng)力、幾何缺陷和彎矩的影響等因素也采用近似的方法解決，并保持了較高的精度。用減小切線模量代替減小截面慣性矩近似殘余應(yīng)力造成的截面平面內(nèi)承載能力削弱，用體現(xiàn)剩余彈性核特性的值、代替平面外彈性剛度、和，以

46、有效剛度法體現(xiàn)所有材料非線性、殘余應(yīng)力和幾何缺陷造成的平面外能力的削弱等等，這種近似解決的方法證明是可行的。改進(jìn)塑性鉸法為了簡(jiǎn)化計(jì)算和分析，將一個(gè)構(gòu)件用一個(gè)或者二三個(gè)單元分析。由于沒有在截面上劃分分區(qū)單元，很難考慮局部屈曲和截面翹曲這種需要詳細(xì)分析截面各纖維受力狀態(tài)的問題。對(duì)于影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵構(gòu)件或連接，應(yīng)當(dāng)用塑性分配法。而要考慮非彈性側(cè)向屈曲，包括局部屈曲和翹曲的塑性效應(yīng)，必須改變現(xiàn)在使用的三參數(shù)塑性強(qiáng)度公式。一個(gè)可能的解決方法是在塑性分配法中使用殼單元，這種單元不但便于解決翼緣或腹板的局部屈曲，還能夠很好的考慮構(gòu)件的側(cè)向扭轉(zhuǎn)和翹曲效應(yīng)。第4章 抗震性能1、（4.1a）多高層鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱

47、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(píng)價(jià)這些措施？ 據(jù)震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際工程中梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)的弱點(diǎn)。許多框架在震后未見有塑形變形，卻出現(xiàn)不少連接節(jié)點(diǎn)斷裂破壞，有梁翼緣斷裂、焊縫熱影響區(qū)斷裂和橫膈板斷裂如圖1.1。并且柱剛性連接的破壞大多發(fā)生在梁的下翼緣處。其可能的原因有：樓板與梁共同變形導(dǎo)致梁的下翼緣應(yīng)力變大；下翼緣在腹板位置焊接的中斷是一個(gè)顯著的焊縫缺陷的來源。 1翼緣斷裂；2和3熱影響區(qū)斷裂；4橫隔板斷裂 圖1.1 梁柱剛性連接斷裂破壞的模式1.1梁柱剛性連接斷裂破壞原因 焊縫缺陷，如裂紋、欠焊、夾渣和氣孔等。這些缺陷能夠成為斷裂的起源。如梁

48、下翼緣與柱翼緣間的連接焊縫通常都是在現(xiàn)場(chǎng)俯焊的，每一焊道在梁腹板處都要中斷、中止或重新引弧，這種焊接方式導(dǎo)致該部位的焊縫質(zhì)量很差，含有熔渣、不熔和其他缺陷。而且該部位進(jìn)行超聲波檢查也比較困難。 三軸應(yīng)力影響。分析表明，厚度大的柱翼緣和柱橫向加勁肋對(duì)變形的約束作用使梁翼緣超負(fù)荷，梁柱連接的焊縫變形由于受到梁和柱約束，施焊后焊縫殘三軸拉應(yīng)力，使材料變脆。 構(gòu)造缺陷。出于焊接工藝的要求，梁翼緣與柱連接處設(shè)有墊板，實(shí)際工程中墊板在焊接后就留在結(jié)構(gòu)上，這樣墊板與柱翼緣之間就形成一條“人工”裂縫，如圖1.2，成為連接裂縫發(fā)展的起源。圖1.2 人工裂縫梁腹板切角較小，使焊縫在腹板處不易焊好，也難于檢查，以致留下嚴(yán)重的缺陷。 焊縫金屬?zèng)_擊韌性低。美國Northridge地震前，焊縫采用E70T-4或E70T-7自屏蔽藥芯焊條，這種焊條對(duì)沖擊韌性無規(guī)定，實(shí)驗(yàn)室試件和從實(shí)際破壞的結(jié)構(gòu)中取出的連接試件在室溫下的試驗(yàn)表明，其沖擊韌性往往只有1015J，這樣低的沖擊韌性使得連接很易產(chǎn)生脆性破壞，成為引發(fā)節(jié)點(diǎn)破壞的重要因素。 殘余應(yīng)力引起的應(yīng)力集中。焊接過程產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在，加大了焊接接頭和母材的應(yīng)力水平。1.2防止梁柱剛接連接脆性破壞的途徑 保留上述圖這種連接形式，實(shí)行下列改進(jìn)措施： 1) 除掉下翼緣的襯