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第三四章作业(高钢)


《高等钢结构原理》 塑性设计与抗震性能 学生作业

2014 年 12 月 1 日

第三章作业
3.1a 为了满足塑性设计的要求,国内外钢结构相关规范 EC3 , BS5950 , GB50017-2003, GB 50017-201X(报批稿)分别如何进行构件截面分类?哪类截 面适用于塑性设计? 1.国内外相关规范对构件截面

的分类如下: EC3:第一类截面,能够形成塑性铰,且塑性铰具有满足塑性分析要求的转 动能力;第二类截面,能够形成塑性弯矩,但是塑性铰只有有限的转动能力,因 此不适用于对结构进行塑性分析;第三类截面,边缘应力能够达到屈服应力,但 是局部弯曲阻止了塑性抵抗弯矩的发展;第四类截面,局部弯曲限制了抵抗弯矩 的发展。 BS5950:第一类截面(plastic cross section),塑性铰具有足够的转动能力; 第二类截面( compact cross section ),具有一定的塑性弯矩; 第三类截面 (semi-compact cross section),边缘应力能够达到设计强度,但是不能发展塑性 极限弯矩;第四类截面(slender cross section),对弯曲变形有明确的限制 GB50017-2003:我国似乎还没有系统的对构件截面进行分类,而是对板件 的宽厚比进行了限制,具体如表 3.1.1。
表 3.1.1 GB50017 对板件宽厚比的要求

截面形式

翼缘

腹板

b 235 ?9 t fy

b0 235 ? 30 t fy

GB 50017-201X(报批稿): 构件设计截面应根据 GB 50017-201X(报批稿)中表 3.4.1 的规定分为 A、B、C、D、E 共 5 级。板件的宽厚比,应根据此规范表 3.4.1

规定的截面类别,符合下列规定: 1) 形成塑性铰、并发生塑性转动的截面,截面宽厚比不应超过 A 级截面的宽厚 比限值; 2) 最后形成塑性铰的截面,截面宽厚比不应超过 B 级截面的宽厚比限值; 3) 不形成塑性铰的截面,截面宽厚比不宜超过 D 级截面的宽厚比限值。 2.塑性设计方法及各自的适用范围 塑性设计方法大体上分为刚-塑性分析和弹-塑性分析的基本方法。 刚-塑性分析的基本方法 弹性分析应满足的三个条件: 1) 平衡条件:作用在整个结构或任意部分的自由体上的力和力矩的总和应为 零。 2) 连续性:变位形状假定为连续曲线,结合边界条件即可列出“连续性方程”。 3) 极限弯矩条件:以最外边缘应力达到屈服应力作为极限弯矩,任何截面都不 得超越此极限。 刚塑性分析应满足的三个条件: 1) 平衡条件:跟弹性分析相同。 2) 形成机构条件:跟弹性分析要求连续性相反,塑性分析要求形成足够数目的 塑性铰,用以破坏结构的连续性使结构整体或其一部分形成机构。 3) 全塑性弯矩条件:以截面的全塑性弯矩作为极限弯矩,任何截面都无法超越 此极限。 仅当上列所有三个条件均满足时,所得的塑性分析结果才是正确的。这个结 论,是由下列关于塑性分析的三个基本定理引出的。这三个基本定理是:下限定 理,上限定理和唯一性定理。 下限定理:在满足平衡条件和全塑性弯矩条件的弯矩分布的基础上,所求得 的结构荷载必小于或等于塑性极限荷载。 推论:增加结构材料(忽略增加材料的自重影响)不会降低结构的塑性极限 荷载值。 上限定理: 在假定机构基础上所算得的结构荷载, 大于或等于塑性极限荷载。 推论: 1) 将结构任一部分的材料减少,不可能增加结构的塑性极限荷载。 2) 对一个结构可能形成的所有机构,求得各自相应的荷载。则其中的最小值, 就是结构的塑性极限荷载。相应的机构就是结构塑性破坏的真正机构。 唯一性定理:同时满足平衡、形成机构和全塑性弯矩等三个条件的荷载,就 是结构的塑性极限荷载。 刚-塑性分析的基本方法包括静力法、机构法和弯矩平衡法。 ① 静力法 静力法:以下限定理为基础,目的在于寻求一个既满足平衡条件、又符合全 塑性弯矩条件(M≤Mp)的弯矩图。相应于这个弯矩图的荷载,仅为结构塑性 破坏荷载的下限。仅当弯矩达到 Mp 值(亦即形成塑性铰)的截面数目,足以使 结构变成机构时,这个荷载才是真正的塑性破坏荷载。 静力法的适用范围:超静定次数较低的梁和刚架。 静力法的要旨: 先将结构的超静定约束除去, 使结构转变为静定的基本体系。 然后根据平衡条件,分别作出外荷载和超静定约束作用在基本体系上的弯矩图, 超静定约束所产生的弯矩用未知的超静定约束值的函数来表示。 截面的总弯矩等

于两种弯矩的代数和。 步骤:设结构的超静定次数为 r ,则需要形成 r+1 个塑性铰才能使结构转变 成机构。用尝试法置 r+1 个截面的弯矩等于 Mp,得 r+1 个方程式,联立解此方 程组,即可解算出 Mp 和 r 个超静定约束值。至此,结构的弯矩图即为已知。若 所有截面均满足 M≤Mp 的条件,则所得弯矩图就是相应于真正破坏机构的弯矩 图。否则,重新选定 r+1 个截面(一般应包括前一轮尝试中 M>Mp 的截面)进行 尝试,直至所有截面均满足 M≤Mp 时为止。 ② 机构法 机构法:以上限定理为基础。它的任务是:从所有可能的破坏机构中,选出 相应于最小塑性极限荷载的一个机构,便是真正的破坏机构,这个最小塑性极限 荷载即真正的塑性破坏荷载。 作为校核,相应这个破坏机构的弯矩图应处处不超 过 Mp 。 实用上为简单起见,往往凭观察判断选取一个机构进行尝试。给该机构一个 虚位移, 从外荷载所作外功应等于塑性铰转动所吸收的内功这一条件,计算相应 于这个机构的荷载值。然后根据平衡条件,作出整个结构的弯矩图,如处处满足 M≤Mp 的条件,则这个尝试解即为真正的解。否则,另选机构重新进行尝试。 在实际设计中,外荷载是已知值,Mp 是所要求的未知值。这时上限定理相 当于:在所有可能的机构中,相应于最大 Mp 值的机构是真正的破坏机构。 ③ 弯矩平衡法 弯矩平衡法:寻找一个与外荷载平衡的弯矩分布方案,构件的截面即按这种 弯矩分布确定。事实上,可以找到许多个弯矩分布方案,其中每一个分布方案都 可以跟外荷载平衡。在实际设计中,可以选用导致最小结构重量的方案,因为最 小重量和经济方案是密切相关的。 弯矩平衡法的适用范围:最宜用于设计单层或多层矩形框架。它和静力法相 似,但有效适用范围更广泛。 弯矩平衡法步骤 1) 选择一个弯矩分布的初步方案,使每个杆件和每个楼层均能满足平衡条件, 仅节点弯矩可能尚未平衡。 2) 调整杆端弯矩,使节点获得平衡。调整方法可由设计者根据设计目的而定。 杆端弯矩调整后,步骤一所述的杆件平衡和楼层平衡就有可能被破坏。 3) 调整杆件跨内弯矩值,使每个杆件恢复对外荷载的平衡。 4) 调整柱端弯矩,恢复楼层的平衡条件。 5) 步骤四可能破坏了节点弯矩的平衡条件。 如果这样, 则重复步骤二, 三和四, 直至所有平衡条件均满足为止,便得到一个可行的弯矩分布方案。反复尝试 可以获得多个可行的弯矩分布方案,然后按设计目的(例如最小重量)选择 其中最优的一个方案。 弹-塑性分析的基本方法 理想弹塑性方法适用于荷载小增量的情况下,随着荷载的增加,塑性铰出现 在结构中。理想弹塑性方法假定在达到 My 后,构件的变形为线弹性变形,之后 弯矩很快达 Mp,然后没有经过受拉强化阶段而直接表现出完全塑性。软件应该 能够很容易的预测出塑性铰的形成,交替和消失,甚至是卸载和反转。最终的机 制是真正的破坏机理(假设塑性铰的旋转方向与弯矩有关)。最终的机制与最低 负载因子的机制相同,最低负载因子的机制可以通过刚-塑性方法得到。理想弹 塑性方法适用范围:理想弹塑性方法适用于荷载小增量的情况下。

3.2d 钢框架结构塑性分析需要考虑哪些初始缺陷?设计中可选用哪些等效方法 和修正分析结果的方法? 1.一般考虑结构的几何非线性、材料非线性以及节点刚度和构件残余应力 等缺陷。 框架的初始缺陷: 框架的初始缺陷一般是允许存在的。 框架的初始缺陷见图 3.2.1。 构件的初始缺陷: 存在于有侧移框架中较为细长的的构件中, 其他情况下的 构件初始缺陷都包含在屈曲相关曲线中了。构件的初始缺陷见图 3.2.2。

图 3.2.1 框架的初始缺陷

图 3.2.2 构件的初始缺陷

2.设计中可选用的等效方法和修正分析结果的方法 欧洲(EC3)规范采用的方法 (1)框架初始偏移的取值按下列公式取值:

? =kc ks?0
其中:

?0 ? 1/ 200 , kc ? 0.5 ?

1 1 且kc ? 1 , ks ? 0.2 ? 且ks ? 1 nc ns

nc ——每层全高柱的数目 n s ——框架总层数

(2)框架初始偏移的等效水平力 框架的初始缺陷可以用一个等效自平衡水平力系统来代替,水平力作用于每 层的楼板处(包括基础水平面)。如图 3.2.3。

图 3.2.3 框架初始偏移的等效水平力

我国规范(GB 50017-201X)采用的办法 (1)框架初始偏移的取值 结构整体初始几何缺陷模式可通过第一阶弹性屈曲模态确定。框架结构整体 h 初始几何缺陷代表值可由式(3.5)确定且不小于 i ,参见图 3.2.4。 1000

图 3.2.4 框架初始偏移的取值

?i ?

hi 1 0.2 ? 250 ns

? yk 235

(3.5)

其中:
?i ——所计算楼层的初始缺陷代表值 n s ——框架总层数,且

2 1 ? 0.2 ? ? 1.0 3 ns

hi ——所计算楼层的高度

(2)框架初始偏移的等效水平力 框架结构整体初始几何缺陷代表值也可通过在每层柱顶施加由式(3.6)计算

的假想水平力等效考虑, 假想水平力的施加方向应考虑荷载的最不利组合,参见 图 3.2.5。

图 3.2.5 框架初始偏移的等效水平力

H ni ?

Qi 1 0.2 ? 250 ns

? yk 235

(3.6)

其中:
Qi ——第 i 楼层的总重力荷载设计值 n s ——框架总层数,当 0.2 ?

1 ? 1.0 时,取此根号值为 1 ns

(3)直接分析设计法 直接分析设计法应同时考虑结构的几何非线性、材料非线性以及节点刚度和 构件残余应力等缺陷对结构和构件内力产生的影响。 应建立带缺陷的整体结构模 型并采用带缺陷的构件单元, 进行二阶弹塑性分析法全过程分析。在对结构进行 连续倒塌分析时, 结构材料的本构关系宜考虑应变率的影响;在结构进行抗火分 析时,应考虑结构材料在高温下的本构关系对结构和构件内力产生的影响。 框架结构和构件的缺陷(包括残余应力)可以用假想水平力进行等效计算, 假想水平力的施加方向应考虑荷载的最不利组合,见图 3.2.6。

图 3.2.6 等效假想水平力

3.塑性分析结果的修正

可采用 Merchant-Rankine 准则进 行塑性分析结果的修正。 框架整体分析方法有: (1)一阶弹性分析 (2)一阶刚-塑性分析 (3)弹性临界载荷 (4)二阶弹性分析 (5)二阶刚-塑性分析 (6)一阶弹-塑性理论 (7)二阶弹-塑性分析 (8)二阶塑性区域分析 如图 3.2.7

图 3.2.7 框架整体分析方法

3.3d 什么是 Merchant-Rankine 破坏准则?如何应用 Merchant-Rankine 破坏准 则来修正一阶刚塑性分析和一阶弹塑性分析结果? Merchant-Rankine 破坏准则:该破坏准则能够预测结构在因为屈曲趋势达 到塑性极限承载力时承载力的减少,它已经发展为比较成熟和普遍认同的标准, 其表达式为:
1

? fail

?

1

? plastic

?

1

?cr

其中:
p l a s t i c ?p l a s ? 为刚塑性破坏荷载系数 t i c

V

VSd

? plastic ?

Vcr 为弹性临界荷载系数 VSd

? fail ?

V fail VSd

为修正破坏荷载系数

VSd 为结构上施加的总荷载(设计值)

Vplastic 为一阶刚塑性分析破坏荷载
Vcr 为弹性临界荷载(第一阶屈曲模态)

V fail 为考虑 P ? ? 效应后的修正破坏荷载

当施加的荷载与最终极限荷载相等时,λfail 不能小于 1.0。通过上述形式,这 种标准可以简便地运用于校核结构的承载力, 不过校核构件稳定性时需要计算大 量的轴力、剪力和屈服弯矩。 在 EC3 中,假定 λfail=1.0,该标准引入可以运用于塑性倒塌机制中的力和弯 矩的系数重新表达。推导过程如下:

1

?
?

?

1

? plastic

?

1

?cr

1 1 1 ? ? V fail Vplastic Vcr
1 Vplastic ? 1 1 Vcr ? V fail ? ? V fail Vcr V failVcr

?

?V plastic ?

V failVcr Vcr ? V fail

? V fail 1?

1 V fail Vcr ? V ? 1 ,VSd ? V plastic ?1 ? Sd ? V ? Vcr ? 1 ? Sd Vcr

当 V fail ? VSd 错误!未找到引用源。时, V plastic ? VSd

用 Merchant-Rankine 破坏准则对一阶刚塑性分析和一阶刚塑性分析的修正 为: 负荷系数=负荷系数×(1- VSd / Vcr ) 运用Merchant-Rankine破坏准则折减后的荷载-位移曲线可用图3.3.1表示

图 3.3.1 Merchant-Rankine 准则折减的荷载-位移图

3.4b 塑性设计与弹性设计的基本区别?塑性设计有哪些方法、各自的适用范围 如何? 1、塑性设计与弹性设计的基本区别: 塑性设计方法建立在充分利用钢材所具有的塑性变形能力的基础上。 当作用在超 静定结构上的荷载达到一定数值时,构件的某一截面全部进入塑性,此时荷载虽 然继续增加, 但在改截面上的内力矩并不增加, 并在此力矩作用下使该截面转动, 即形成塑性铰;结构因该截面的转动,使结构内分布的内力进行重新调整(即内 力重分布),直到整个结构形成一定数量的塑性铰,结构便转化为不稳定状态, 即形成破坏机构,便达到塑性设计的承载力极限状态,但在正常使用情况下,一 般不可能到达此种状态。 弹性设计方法是以结构构件某一界面上的边缘纤维应力达到屈服时的状态, 作为 结构构件的承载力极限状态。 如图 1 所示的结构受到 P1,P2 荷载,其中 P1>P2 且使内力 Mb>Ma>Mc,在弹性设 计阶段,它的内力分布和截面极限应力如图 2 所示。当截面 B 的弯矩达到塑性 弯矩极限 Mp 时,可以进行塑性设计,其弯矩不再增大,在 B 处形成塑性铰,再 进行内力重分布。 得到 A、 C 截面的弯矩分别为 M a ' 和 M c ' , 其中 M a ' > Ma , M c ' > Mc
.

P1 B A 图 3.4.1 结构受力图 C

P2

P1 A Ma

Mb=My B P2 C Mc (a)

fy

?a
(b) (C)

?c
(d)

图 3.4.2 弹性设计内力图及应力图 (a)内力图 (b)A 截面的应力 (C)B 截面的应力(d)c 截面的应力 Mb=Mp B A Ma P2 C (a) Mc (b)

P1

fy

图 3.4.3 塑性设计内力图及应力图 (a)内力图 (b)B 截面的应力

第四章作业
4.1a 多高层钢结构框架梁柱刚性连接断裂破坏的主要原因是什么?为防止 框架梁柱连接脆性破坏可采取什么措施?如何评价这些措施? 多高层钢结构框架梁柱刚性连接断裂破坏的主要有如下原因: (1)焊缝缺陷,如裂纹、欠焊、夹渣和气孔等。这些缺陷将成为裂缝开展直至 断裂的起源。 (2)三轴应力影响。分析表明,梁柱连接的焊缝变形由于受到梁和柱约束,施 焊后焊缝残存三轴拉应力,使材料变脆。 (3)构造缺陷。出于焊接工艺的要求,梁翼缘与柱连接处设有垫条,实际工程 中垫条在焊接后就留在结构上, 这样垫条与柱翼缘之间就形成一条 “人工” 裂缝, 成为连接裂缝发展的起源。 (4)焊缝金属冲击韧性低。实验室试件和从实际破坏的结构中取出的连接试件 在室温下的试验表明,其冲击韧性往往只有 10~15J,这样低的冲击韧性使得连 接很易产生脆性破坏,成为引发节点破坏的重要因素。 (5)梁端焊缝通过孔边缘出现应力集中,引发裂缝,向平材扩展。 (6)梁的屈曲应力比规定的最小值高出很多。梁翼缘与柱翼缘连接处的钢材, 因受约束而不能运动,当柱翼缘较厚时此情况尤为突出。这种约束情况使得该处 钢材不能屈服, 在焊缝中引起局部高应力, 加剧了在焊缝缺陷中引发裂缝的倾向。 (7) 柱节点板域过大的剪切屈服和变形产生的不利影响。1985 年~1994 年美国 的设计规定,鼓励在梁柱的连接节点中采用弱节点域。在过分弱的节点域中,组 件的非弹性受力性能是受节点域的剪切变形控制的。 节点域的剪切变形导致梁柱 翼缘间连接焊缝附近的柱翼缘出现局部弯折, 迸一步增加了该敏感区对应力和应 变的需求。 为防止框架梁柱连接脆性破坏可采取的措施: (1)连接应尽量采用熔透焊或高强螺栓,避免采用贴角焊; (2)尽量在地面上进行焊接,采用自动焊,避免大量的人工焊和高空作业,同 时应注意合适的焊接工艺,以提高焊缝质量,减小焊接热影响区,降低热残余应 力; (3)设计中加强节点强度,使节点应力水平比梁杆件未受焊接影响的区域低。 (4)为防止梁端与柱的连接处发生脆性破坏,可利用“强节点弱杆件”的抗震 结构概念,将梁端附近截面局部削弱。 (5)近几年研究者们提出了许多种新型节点,人为地通过构造措施将梁支,照 处的塑性区向延性好的跨中方向转移,从而改善构件变形性能。根据采取措施的 不同可将其分为两大类,一类是加强型,如盖板式节点、托座式节点、梁翼缘放 大式节点和预应力加强型节点等。其工作原理是加大连接处断面,使构件在焊缝 和焊接区域断面应力小于非焊接区,梁非焊接区首先屈服。另一类为削弱型,如 狗骨式节点和切缝式节点等, 这种节点处理是通过削弱梁非焊接区梁的断面来达 到在该处首先形成塑性铰的目的。 这些新型节点在焊接和节点设计上均较以往的 普通节点有较大的改进

4.2a 钢结构抗震性能有哪几类延性指标?它们之间相互关系如何?延性和 塑性的异同点? 钢结构抗震性能主要包括材料延性指标,构件和连接延性指标,结构延性指 标。 材料延性指标:以钢材为例, 钢材的延性可以定义为破坏时的变形与屈服时 的变形的比值,其延性指标为 ?e ? ? u / ? y ,其中 ?e 为延性指标, ? u 为循环加载时 第一个周期的最大应变, ? y 为材料屈服时的应变。 构件延性指标: 构件破坏时的变形与屈服时的变形的比值称为构件的延性系 数。 1、运动学延性指标: ? ? xmax / xy 2、循环延性指标: ?c ?
max{x p ,i } xy ?1

3、一个方向的滞回延性指标:
?h ?
E* ? ? ? 1 ? ?c ? 1 , 其中 E* ? max{Eh , Eh } Fy x y

4、全滞回延性指标: ?h ?

Eh ?1 Fy x y
图 4.2.1 构件的荷载-位移曲线

各符号的含义如右图 4.2.1 所示:

结构的延性指标: ?? ? ?u / ? y , ?? 为结构的延性比, ? u 为结构在极限状态时 的顶点位移或层间位移, ? y 为结构在屈服状态时的顶点位移或层间位移。 三种延性指标间的关系为: ?e ? ?? ? ?? 。 延性和塑性的异同: 延性: 变形的能力, 是承受荷载效应及冲击荷载作用构件的一项重要受力特 性,延性一般针对构件或结构整体而言,不针对某一特定材料,如果针对某一特 定材料含义同塑性接近。 塑性:一般是指当应力超过屈服点后,能产生显著的残余变形(塑性变形) 而不立即断裂的性质。 区别:1.延性一般针对构件或结构整体;2.延性由弹性特性和塑性特性构成, 一般情况下延性包含塑性。 4.3c 综述屈曲约束支撑(无粘结支撑、防屈曲支撑)的特点、类型、设计要点以及 国内外最新研究进展和工程应用现状。 屈曲约束支撑又称防屈曲支撑或 BRB(Buckling restrained brace),产品技术 最早发展于 1973 年的日本,当时的一批日本学者成功研发了最早的墙板式防屈 曲耗能支撑,并对其进行了加入不同无粘结材料的拉压试验;1994 年北岭地震

后, 美国也开始对防屈曲支撑体系进行相应的设计研究和大比例试验,同时结合 理论计算分析了该支撑体系较其他支撑体系的优点。 特点: 承载力与刚度分离, 且承载力高。防屈曲支撑的最大优点是其自身的承载力 与刚度的分离。普通支撑因需要考虑其自身的稳定性,使截面和支撑刚度过大, 从而导致结构的刚度过大, 这就间接地造成地震力过大,形成了不可避免的恶性 循环。选用防屈曲支撑,即可避免此类现象,在不增加结构刚度的情况下满足结 构对于承载力的要求。 延性与滞回性能好。 屈曲约束支撑在弹性阶段工作时,就如同普通支撑可为 结构提供很大的抗侧刚度, 可用于抵抗小震以及风荷载的作用。屈曲约束支撑在 弹塑性阶段工作时,变形能力强、滞回性能好,就如同一个性能优良的耗能阻尼 器,可用于结构抵御强烈地震作用。 保护主体结构。屈曲约束支撑具有明确的屈服承载力,在大震下可起到“保 险丝” 的作用, 用于保护主体结构在大震下不屈服或者不严重破坏, 并且大震后, 经核查,可以方便地更换损坏的支撑。 减小相邻构件受力。当支撑为人字形或 V 字型布置时,由于普通支撑受压 屈曲,受拉与受压承载力差异可能很大,而普通支撑的截面由受压承载力控制, 但支撑受拉时其内力最大可达到受拉承载力, 故与支撑相邻构件的内力由支撑受 拉承载力控制。如采用屈曲约束支撑,支撑受拉与受压承载力差异很小,可大大 减小与支撑相邻构件的内力(包括基础),减小构件截面尺寸,降低结构造价。 类型: 根据约束构件的不同材料形式和不同的制作工艺, 防屈曲耗能支撑可分为混 凝土约束型防屈曲耗能支撑、全钢型防屈曲耗能支撑和装配式防屈曲耗能支撑。 在有抗震设防要求地区的结构中应用屈曲约束支撑。主要有以下几种类型: 1) 作为承载构件使用。指通过引入屈曲约束机制来提高支撑构件的设计承载 力。保证支撑在屈服前不会发生失稳破坏。从而充分发挥钢材强度。称之为 “承载型屈曲约束支撑”; 2) 作为耗能构件使用。指在弹性阶段利用屈曲约束的原理来提高支撑的设计承 载力。在弹塑性阶段利用芯板钢材的拉压屈服滞回来耗能的消能减震结构构 件,称之为“耗能型屈曲约束支撑” 3) 作为拉压屈服型软钢阻尼器使用。一般控制在小震屈服。称之为“屈曲约束 支撑型阻尼器”。 设计准则及要点: 设计承载力、屈服承载力、极限承载力、外套筒刚度要求、连接节点设计、 小震验算、中震和大震验算。 国内外最新研究进展 美国和日本的防屈曲耗能支撑标准化方面发展比较快。 美国最早是由加州工 程师协会 (SEAOC) 编制了有关防屈曲耗能支撑的设计规程, 2003 年,美国 FEMA450 正式给出了防屈曲耗能支撑的设计规程。 2005 年,美国钢结构协会 (AISC) 参考 FEMA450 的工作,在美国 2005 版的钢结构抗震设计规范—— 《SeismicProvisionforStructuralSteelBuildings(ANSI/AISC341-05)》 [71]中新增加防 屈曲支撑钢结构的设计一章(第 16 章)。对防屈曲耗能支撑的设计、计算、试验 方法、 连接做法以及防屈曲耗能支撑对结构的影响参数的限制等作了较详细的规 定,在其附录中列出了支撑及子系统试验的反复加载试验要求。

日本隔震结构协会于 2000 年 2 月设置了地震反应控制委员会,2003 年编写 出版了《被动减震结构设计·施工手册》[72],2005 年出版该手册的第 2 版。该 手册将防屈曲耗能支撑归于软钢阻尼器类型,并对其做了详细的说明,主要内容 包括支撑的构造和装置、材料的物理特性、安装方法、基本特性的评估、阻尼力 特性、相关性、耐久性、维护管理、产品偏差、出厂项目管理、分析模型等。 台湾最新版《建筑物耐震设计规范及解说》[73]的第十章,对被动消能系统 的设计原则、消能元件模拟、分析方法、细部要求、设计审查和消能元件的试验 作出了规定。这其中就包括对于防屈曲耗能支撑(台湾习称为挫屈束制支撑)的相 关规定。 国内对于防屈曲耗能支撑设计与应用的标准化取得了一些成绩。 《建筑抗震 设计规范》[74]第 12 章的“隔震和消能减震结构设计”中,对位移相关性消能 器的设计参数及性能检验指标进行了规定, 防屈曲耗能支撑作为一种位移相关型 消能器,可以参照执行;上海市建筑产品推荐性应用标准——《TJ 屈曲约束支撑 应用技术规程》(报批稿)[75]中,对耗能型屈曲约束支撑、屈曲约束支撑型阻尼 器和承载型屈曲约束支撑 3 种类型的产品进行了介绍,并对产品的设计、施工和 质量验收提出了相关的技术要求;东南大学组织编制的行业标准——《建筑消能 阻尼器》(送审稿)中,专门给出了防屈曲耗能支撑的外观、材料、耐久性等技术 要求以及试验方法和检验规则;广州大学会同有关高等院校、研究机构、设计及 施工单位编制的行业标准——《建筑消能减震技术规程》(送审稿)中,单独给出 了防屈曲耗能支撑的技术性能指标及支撑结构设计与构造的方法。 工程应用现状 1) 承载型屈曲约束支撑工程应用 上海东方体育中心为 2011 年世界游泳锦标赛而建,由三个主要场馆组成:综 合馆、 游泳馆、 跳水馆, 其中屋盖结构为一个 “半月” 形平面室外跳水馆(图 4.3.1), 是上海东方体育中心的一大亮点。

图 4.3.1 东方体育中心

2) 耗能型屈曲约束支撑工程应用 上海世博中心总建筑面积 14 万时,其中地上建筑面积 10 万时,地下室建筑 面积 4.2 万 m2,地上建筑由两个单体组成,西侧为会展区,东侧为会议区。会 展区南北长约 90m,东西长约 162m,地下 l 层,地上 7 层,屋面处高度约 39m。 作为 2010 年上海世博会的会议和新闻中心, 该结构抗震设防类别为重点设防类, 为提高结构抗震性能,设置了屈曲约束支撑作为耗能构件 3) 屈曲约束支撑型阻尼器工程应用 上海董家渡 1#仓库(图 4.3.2)位于上海市外滩,建于二十世纪二十年代,为

历史保护建筑。此次改造加固后将作为餐饮连锁店,为世博服务。结构抗震加固 考虑设置屈曲约束支撑型阻尼器以增大结构阻尼比,降低地震作用。该工程共采 用 47 根屈服承载力为 50kN 的屈曲约束支撑型阻尼器。经计算,47 根屈曲约束 支撑型阻尼器附加给原结构的有效阻尼比为 20%,结构计算阻尼比达到 25%, 有效地降低了结构所承受的地震作用。经济性比较显示,采用屈曲约束支撑型阻 尼器后不仅降低了加固成本, 还缩短了加固工期。屈曲约束支撑型阻尼器安装照 片如图 4.3.3 所示

图 4.3.2 海董家渡 1#仓库改造后效果图

图 4.3.3 屈曲约束支撑型阻尼器安装照片

4.4b 你了解哪些减震装置、减震构造和减震结构体系?请说明其特点、减震 机理、应用实例和应用前景。(重点阐述有关钢结构的内容) 1、耗能减震技术 1) 原理:耗能减震技术是通过采用附加子结构或一定的措施,以消耗地震传递 给结构的能量为目的的减震手段,但其原理也适用于减小结构的风振。可以 从两方面认识耗能减震原理:从能量观点看,地震输入结构的能量 Et,是一 定的。 通过耗能减震装置消耗掉一部分能量, 则结构本身需消耗的能量减小, 意味着结构反应减小。从动力学观点看,耗能装置的作用,相当于增大结构 阻尼,从而使整个结构反应减小。 2) 常用耗能减震装置: ① 阻尼器:阻尼器通常安装在文撑处、框架与剪力墙的连接处、梁柱连接 处以及上部结构与基础连接处等有相对变形或相对位移的地方。 在基底隔震系统 中, 阻尼器常与陌震装置相配合使用。常用的阻尼器有以下几种:a.软钢阻尼器; b.摩擦阻尼器;c.黏滞阻尼器;d.黏弹性阻尼器; ② 耗能支撑: 耗能文撑实质上是将各式阻尼器用在结构支撑系统上的耗 能构件。常用的耗能支撑有以下几种: ? 耗能交叉支撑:种耗能装置通过支撑交叉处的方钢框或圆钢框的塑性变形消 耗能量; ? 摩擦耗能支撑:将高强度螺栓—钢板摩擦阻尼器用于支撑构件,可做成摩擦 耗能支撑; ? 耗能隅撑:隅撑两端刚接在梁、桂或基础上,普通支撑简支在隅撑的中部。 地震作用下,通过隅撑的屈服消耗地震能量; ? 无动结套箍耗能支撑:这是一种新颖的金属屈服耗能支撑构件。在内核钢支 撑和外包钢管之间不鼓结或在内核钢支撑和外包钢筋混凝土或者钢管混凝

土之间涂无效结漆形成滑动界面,使内核钢支撑与外包钢管或外包混凝土之 间能自由滑动。工作时,仅内核钢支撑与框架结构连接,即仅钢支撑受力, 而外包钢管或混凝土约束内核钢支探的横向变形,防止内核钢支撑在压力作 用下发生整体屈曲和局部屈曲。因此,无黏结套箍耗能支撑在拉力和压力作 用下均可以达到充分的屈服,具有很好的延性,滞回曲线稳定饱满,其滞回 特性明显优于普通钢支探。 ③ 耗能墙: 这里介绍一种耗能墙的原理。 该耗能墙由上下两部分构件构成, 下部做成容器,其中装盛黏性液体。上部可做成钢板墙状,可以在容器中运动。 实际运用时,耗能墙可镶嵌在钢框架中,耗能墙上部与框架上层梁相连,耗能墙 下部与框架下层梁相连。 地震作用下钢框架将产生层间变形,使耗能墙上部钢板 在容器中运动,通过黏滞液体产生的阻尼力消耗地震能量。 3) 工程实例 台北东华城购物体闲小心是超大 型商业建筑,地上 12 层,地下 7 层, 总建筑面积 204500 平方米,典型建筑 平面如图 4.4.2 所示。该建筑采用支撑 框架结构体系,在支撑与框架的连接 处,采用了三角板软钢阻尼器。 2、吸震减震技术 1) 原理:吸振是通过附加子结构使主 结构的能量向子结构转移的减震 方式。这类减震系统的减震原理可 由图所示的力学模型承受谐和地 面激励时的反应特征加以说明。 图 4.4.2 台北京华城购物休闲中心典型平面 2) 常用吸震减震装置 ① 调频质量阻尼:调频质量阻尼器(Tuncd Mass DamPer 简称 TMD),实际 上是一个质量—弹簧—阻尼系统,可做成滑动的质量块,支承在建筑物的顶部或 恳挂在建筑物的顶部。 ② 调谐液体阻尼器(TLD):将装液体的容器置于结构物上,结构振动,液 体的荡晃形成一个调谐液体阻尼器,通常称这类装置为 TLD(Tuned Lquid DamPer)。为增大阻尼,可在液体(一般用水)中设筛网。 3) 工程实例 台湾 TC 大楼,建在高雄市,85 层 347.6m 高。总建筑面积 305274m2。采用 支撑框架结构体系。在该建筑顶部 78 层楼面的两个对角,采用了两个 TMD 装 置。每个 TDM 的质量达 l00t,而整个建筑为 22l000t。实测表明,该建筑采用 TMD 后,结构的等效阻尼比从 2%左右提高到了 8%左右。 结构减震技术的应用前景: 结构减震技术是一种新型的结构抗震方法,在过 去的十多年中, 这种技术不仅在新建的工程中获得了应用,而且在既有建筑的抗 震加固与震后修复中获得了发展。结构减震技术将结构的“强化”抗震转变为个 别部位的“弱化”消震,结构的被动抗震转变为主动减震,克服了目前工程抗震 中的盲目性与被动性,可以预言结构减震技术将成为 21 世纪减震防灾的重要手 段和方法,在实际工程中,特别在高层建筑中具有广泛的应用前景。


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