高等钢结构塑性设计及抗震作业

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1、《高等钢结构原理》第三、四章学生作业系（所）：建筑工程系学号：1332520姓名：曾敏培养层次：硕士2013年11月26日3.1b综述有关各种改进塑性铰法、各种塑性区方法的研究和应用进展。1.改进塑性铰法对于主要发生弹性屈曲的细长构件，弹塑性铰法与塑性区法计算结果符合很好；然而对于发生较大屈服并伴随塑性扩展的粗短构件，由于忽略了屈服沿构件的扩展，不能考虑构件因渐进屈服过程造成的刚度削弱，用弹塑性铰法预测构件承载能力误差较大，所以许多学者提出了改进塑性铰法。Prakash等改进了塑性铰法并推出了DRAIN-3DX分析软件，材料的非线性用截面纤维的应力-应变关系体现，

2、由轴向力引起的几何非线性用几何刚度矩阵体现，但是由轴向力和弯曲相关作用引起的几何非线性不予考虑。该方法高估承受大轴向力构件的强度和刚度。Liew等使用的改进塑性铰法中，残余应力用传统的梁-柱有限元模型考虑，材料非线性以计入描述材料屈服面-边界面的非弹性参数的方式考虑。该方法对仅承受轴向力的短构件低估其屈服强度最大达7%。Chen等所用的改进塑性铰法用稳定函数考虑几何二阶效应，CRC切线模量考虑残余应力，同时也提出了处理几何缺陷的具体方法[1]。但应用起来仍有局限。Chan[2,3]等人首次提出点平衡插值单元（PEP单元）代替稳定函数，实现了一根结构杆件采用一个计算

3、单元，该计算单元能够考虑初始弯曲缺陷，计算效率和收敛性更好，计算精度也很高。总的来看，Liew、Chen等人发展的改进塑性铰法可以考虑以下两种刚度退化：1）塑性铰形成截面的刚度退化。2）两塑性铰之间构件的刚度退化。这种方法和弹塑性铰法一样简单有效，同时保持了对结构体系及其构件承载能力和稳定性计算的较高精度。经过多年的研究，改进塑性铰法在分析二维框架的平面内分析方面已比较成熟，开始向空间框架高级分析延伸。有研究者主张先利用现有塑性铰法进行平面内分析，再进行考虑残余应力和初始几何缺陷的基于非线性侧向屈曲分析的实用高级分析。这方面的例子见文献[4,5]。文献[4]用LR

4、FD公式计算不同侧向支撑长度下的侧向扭转屈曲强度，如果无侧向支承的长度超过发生全截面（面内）屈服的极限长度，则用侧向（弹性或非弹性）扭转屈曲强度代替全截面屈服强度，代入考虑轴向力与弯矩相关作用的截面塑性强度公式（AISC-LRFD双线性相关公式）。文献[5]分别进行平面内分析和平面外屈曲分析，用“有效刚度法”综合考虑所有材料非线性、残余应力和几何缺陷对平面外屈曲的影响。对空间框架的分析见文献[1,6-7]。其使用的分析单元共12个自由度（每个端部6个），忽略了翘曲约束的影响。另外，对改进塑性铰法高级分析其他有关问题的研究也取得了进展。Chen等研究了钢框架的半刚性

5、连接问题，使得结构整体分析中可以考虑连接的半刚性及其剪切变形影响。Kim等又进一步研究了考虑局部屈曲效应、应变反转的方法以及有关弱轴弯曲的处理办法。关于改进塑性铰法在抗震设计中的应用方法可参考文献[8]。改进塑性铰法可以考虑二阶效应、材料非线性和几何缺陷等多种非线性因素的影响，利用计算机程序对钢框架进行整体分析，并且具有对计算机性能要求不高、计算省时同时又可以满足工程设计精度要求等优点，有可能取代当前各国规范普遍采用的基于单构件设计的方法，成为实用的二阶非线性钢框架设计方法。但是因为塑性铰法没有像塑性区法一样将截面分成面积分区，所以很难精确考虑局部屈曲和平面外屈曲

6、特别是翘曲效应，对局部变形、翘曲与轴向力和弯矩间的相关作用、端部翘曲约束的模拟还比较困难。目前该方法一般不考虑屈曲前效应和屈曲后效应。2.塑性区方法塑性区法用于结构分析较早，国内外的研究成果相对多一些。在国外，Vogel于1985年用塑性区法（塑性分配法）分析了紧凑型截面二维框架，其结果被广泛用作检验框架分析精确程度的标准。2000年，Avery分析了非紧凑型截面框架，给出了详细的壳单元分析模型，并且做了大型试验检验其分析模型的精度。2002年，Jiang等利用塑性区法进行三维钢框架非线性分析，用塑性扩展模型模拟结构构件，考虑了残余应力、初始缺陷以及压力、弯曲和扭

7、转的耦合效应，但限制局部屈曲，不能考虑侧向扭转屈曲。其所编制的计算机程序要达到塑性铰法程序相同的精度，需要将构件划分为7个单元，这也证实了塑性铰法的效率。国内的王孟鸿采用薄壁构件理论考虑了构件截面翘曲的影响，进行了各向同性损伤理论塑性区分布模型的弹、塑性区双重非线性分析，以及考虑局部屈曲、节点区变形和半刚性连接的三维空间钢结构非线性分析，并且在理论分析基础上编制了实用的三维空间钢结构的弹、塑性分析软件[9]。目前塑性区法主要分为两类：（1）基于梁柱单元的塑性区方法。先将构件划分为若干段、若干片（截面），再细分为若干条（纤维），可考虑正应力和整体初始几何缺陷对塑性发

8、展的影响。