高钢塑形设计与抗震作业

1、高等钢结构理论塑性设计与抗震性能作业第三章塑性设计3.1b简述剪力和钢材应力-应变曲线强化对受弯截面的极限抗弯承载力的影响答：1、剪力对受弯截面的极限抗弯承载力的影响（1 ）定性分析由于剪力的存在，截面上同时存在正应力c和剪应力t,此时由 Mises屈服 准则彳+3? = f； =3f；可知，当截面上存在剪力时，至少有一部分正应力还未 达到fy时就已完全进入塑性，此时截面的极限弯矩为：M - ；（x, y）ydA ： fyydA 二 M即剪力的存在降低了受弯截面的极限抗弯承载力。（2）以简化模型3进行理论分析对同时承受弯矩和剪力作用的钢结构构件，根据 Mises条件，剪应力和正应 力都对材料进

2、入塑性有影响，按照理想弹塑性模型，截面能承受的弯矩将低于塑性弯矩Mp。对双轴对称工字型截面，若弯矩绕x轴作用，剪力沿y轴作用，当翼缘在正应力作用下完全进入塑性时，腹板的应力分布将如图3.1.1所示，图3.1.1工字型钢腹板应力分布（简化模型3a）其函数表达式为:0 = fyC0S.C（12 y/hw，-Ify 八 3 sin C 1-2y/hw上式满足Mises屈服条件，式中y为腹板上任一点距中和轴的距离；hw为腹板高；C为系数，与截面上的剪力弯矩比和截面高度有关，可在 0至二/2区间内取值。当C大于二/2，截面上的剪力很大，腹板中央出现纯剪切区域，这时腹 板上应力分布如图3.1.2所示。图3

3、.1.2出现纯剪区的腹板应力分布图33在应力和剪应力并存的区域，有2 y _ hsfy COs C1 -'Ihw - hs 丿.0hs2hw2vy sin2 |y|- hshshwhwhshsf vy式中hs为纯剪区高度，0乞入空hw。根据图3.3.2中的应力分布，可以分别求得截面弯矩Mpsx和剪力Qpsy的表达 式为M psx = M px 一 M pwx J 一（2 2cos C ” C$ Qpsy =Qpy 1 -COsC /C式中M px、Mpwx分别为截面对强轴的塑性弯矩和腹板对强轴的塑性弯矩；Qpy为腹板塑性剪力，按腹板面积与屈服剪应力的乘积计算。当 Cf"2 时

4、，Qpsy =0.637Qpy，Mpsx 二 Mpx-0.189Mpwx ；在工字形截面宽 高比为0.5、外伸翼缘宽厚比为8、腹板高厚比为70、翼缘厚度与腹板厚度比为 1.25时、有M pwx / M px二0.275 , M psx / M px = 0.948，可见这种情况下剪力对截面 抗弯强度的影响并不大。但跨高比很小的深梁中，剪力可能达到屈服剪力值，在 上述例子中，M psx/Mpx =0.275，表明在这种情况下，计算截面极限弯矩时应当 考虑剪力的影响。考虑到剪力对受弯截面的极限抗弯承载力的影响，我国钢结构设计规范中明确规定(GB50017-201X报批稿)：塑性铰区承受的轴力不应大

5、于轴向塑性承载力 (Afy)。2、应力-应变曲线强化对受弯截面的极限抗弯承载力的影响钢结构材料的应力应变关系，通常假定为理想弹塑性模型(图3.1.3a中实线)。在仅受弯矩的梁构件中，截面内力的发展经历图3.1.3(b)所示的三个阶段， 即边缘应力未达到屈服点，或仅边缘应力达到屈服点；截面边缘一部分应力达到 屈服点；整个截面都达到极限状态。按理论模型，当全截面应力都达到屈服点之 后，应变将可无限发展，因而，截面内力达到塑性弯矩Mp后，承载能力无法继续提高，而截面曲率趋向无穷，如图3.1.3(c)所示。实际受弯钢杆件的变形并非如此。结构钢材中的软钢(常用的如Q235和Q345 钢及相当钢种)的应力

6、应变曲线都有强化阶段，如图3.1.3(a)虚线所示。受弯截面的边缘应变进入强化段后，受弯截面的应力分布如图3.1.3(d)所示，截面的弯矩-曲率曲线如图3.1.3(c)中虚线所示。图3.1.3(c)中虚线保持着向上发展的趋势。实际杆件的情况则远比假定的 理论模式复杂。实际钢构件由板件构成，杆件有一定长度，因此板件的失稳、杆 件的失稳、连接的失效等，都会导致受弯杆件承载力的退化或丧失。对实际构件， 曲率增大到一定程度，就会出现抗弯承载力下降。中和输>/K图3.1.3钢材应力-应变关系和弯矩-曲率关系(a)图为理想弹塑性应力分布；(c)图为实际的弹塑性应力分布由此可见，一定范围内的应力-应变

7、曲线硬化对受弯截面抗弯承载能力的发 挥具有帮助作用3.2b试用简单塑性分析法，求出图3.2c所示门式刚架的极限荷载。梁柱截面可以假设不相同。图 3.2c解：1、钢结构的简单塑性理论是指：假定钢材为理想弹塑性体，采用一阶理论 分析，不考虑二阶效应；保证在形成机构前不发生侧扭屈曲破坏， 其组成板件不 发生局部屈曲破坏；荷载按比例增加，内力计算时考虑产生塑性铰，塑性铰达到 一定数量后结构转化为破坏机构体系。2、采用机构法进行塑性极限分析。（设柱截面的极限弯矩为Mua，梁截面的极限弯矩为M ub）（1）梁机构图3.2.1a梁机构一对于图3.2.1a所示的梁机构，虚功方程为:解得：qc厂如（丄 1l x

8、 21 x1 . :21 八 q = M ub (2x由上限定理(极限荷载为可破坏荷载的极小者)，上式对x求导并另导数为零dqcr2Mubdx4 J x2(21-x)2=0解得:即qcr4M ub图3.2.1b梁机构二对于图3.2.1b所示的梁机构，同理可求得极限荷载为:qcr2(Mua Mub)(2)侧移机构图3.2.2 侧移机构对于图3.2.2所示的侧移机构，虚功方程为：1.5门 0.4ql =4Muar'得 qcr6.67 Mua(3)组合机构图3.2.3a组合机构一对于图3.2.3a所示的组合机构，虚功方程为:0.6ql1.5上 1 q 2l ux =2Muar Mub(&qu

9、ot;x)Mua(v")2l-x，' 2l-x，解得：qcr =2Mua .2叽 Mub)l(x 0.6l)(2l -x)(x 0.6l)对x求导得当X二2|c 一矩E时，其中Muac (Mua Mub)l极小值为2Mua2c(Mua Mub)|(2Ic 1 - .2.6lc 1c0.6l)( t2.6Ic 1 _i)(2lc12.6lc10.6l)图3.2.3b 组合机构二对于图3.2.3b所示组合机构，虚功方程为：梁上0.6ql 1.5心1 q 2I px =2M u 2Mub ")22I x同理可求得极限荷载为:当x.Cl上亘口时,Mua2MubI2Muaqc

10、r =4cMubji2*106) C时-l/j2*1 0.6I)3、结果分析当Mua二Mub =M时，梁机构极限荷载为qcr二学；侧移机构极限荷载为qcr -；组合机构极限荷载为qcr二巴理，综上极限荷载为qcr3.747MI2厂。3.3d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？答：1塑性设计与弹性设计的基本区别对于延性材料，简单的以一个截面的极限状态作为整根杆件的极限状态，以一根杆件的极限状态作为整个结构的极限状态的设计判断标准的设计原则为弹 性设计原则。对于静定结构，由于没有多与约束，用弹性设计比较合理。对于超静定结构，由于有多余约束的存在，当某一个截面或杆件

11、达到塑性时， 结构还能继续承担荷载，直至其他的截面或杆件达到塑性， 使结构变成机构，达 到该结构的承载力的极限，即为塑形设计原则。对于静定结构，出现塑性铰，结构即告失效。然而对于超静定结构，出现塑 性铰之后，会发生塑性内力重分布，使结构能够继续承担荷载，直至出现的塑性 铰使结构变成机构，结构才被认为破坏。在设计中，应根据结构的所处的位置和重要程度进行弹性和塑形设计： 重要 的结构和构件采用弹性设计，次要的结构和构件采用塑形设计原则。在梁板结构 中，主梁多为弹性设计原则，板与次梁多采用塑形设计原则。由于塑性设计时会考虑材料的塑性变形，因此实际结构会产生较大的变形和 裂缝，因此使用时不允许出现裂缝

12、、受侵蚀作用的结构、轻质混凝土与特殊混凝 土结构、预应力与叠合构件一般不允许采用塑形设计原则。 按塑性理论计算的承 载力稍大于按弹性理论计算的承载力， 因此直接承担动荷载的结构也不应按塑性 设计原则。弹性设计法是以结构构件某一截面上的边缘纤维应力达到屈服强度时的状 态，作为结构构件的承载力极限状态。塑性设计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， 构件中的某一截面全部进入塑性， 此时荷 载虽继续增加， 但在该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

13、 内力重分配)，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。2 塑性分析的基本方法(1) 简单塑性理论钢结构的简单塑性理论是指： 假定钢材为理想弹塑形体， 采用一阶理论分析， 不考虑二阶效应； 保证在形成机构前不发生侧扭屈曲破坏， 其组成板件不发生局 部屈曲破坏；荷载按比例增加， 内力计算时考虑产生塑性铰， 塑性铰达到一定数 量后结构转化为破坏机构体系。鉴于塑性设计与弹性设计相比， 强度储备较低，尤其是荷载反复作用的情况， 如重复卸载与加载过程中， 变形会不断加大， 因此在塑性

14、设计中， 不能采用与弹 性设计相同的抗力分项系数，而应适当加大，规范规定，在塑性设计时，钢材和 连接的强度设计值应乘以折减系数 0.9 。(2) 刚- 塑性分析方法刚塑性分析应满足以下三个条件：(A) 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。(B) 形成机构条件：形成足够数目的塑性铰，用以破坏结构的连续性使结 构整体或一部分形成机构。(C) 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。此处涉及三个定理，分别是下限定理、上限定理和唯一性定理。下限定理指 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

15、性极限荷载。上限定理指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。唯一性定理是指同时满足平衡、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。（a）极限平衡法（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<=M：p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M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。极限平衡法适用于超静定次数较低的梁和刚架。(b) 机构法破坏机构法以上限定理为基础。 当不

16、考虑平衡方面的要求， 而只考虑机动与 屈服条件，用上限定理求出荷载的上限解。 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， 这个相应破坏机构的弯矩图应 处处不超过 Mp。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 MpS的机构是真正的破坏机构。(c) 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和外荷载平 衡。在实际设计中

17、， 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。(3) 弹- 塑性分析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

18、情况下。3.4c 选择一种或几种有限元分析软件，论述其可用于钢框架结构弹 塑性分析或推覆分析的单元类型， 并自选合适的计算模型， 施加竖向 荷载和水平荷载，进行算例分析，通过 Mises 应力云图、应变云图、 荷载- 位移曲线等形式展示计算结果。答：1、选用的有限元软件为ABAQU,包含的单元类型有实体单元、梁单元、壳 单元、桁架单元和刚性体单元等等，其中可用于钢框架结构弹塑性分析的单元类 型有实体单元和梁单元。实体单元简单地模拟部件中的一小块材料，由于可以通过其任何一个表面与其他单元相连，因此实体单元就像建筑物中的砖或马赛克中 的瓷砖一样，能够用来构建几乎任何形状、 承受任意荷载的模型，故可

19、采用六面 体单元、四面体单元等来分析三维钢框架结构的弹塑性问题；梁单元用来模拟一个方向的尺寸远大于另外两个方向的尺寸， 并且仅沿梁轴方向应力比较显著的构 件，适合用来模拟钢框架结构并可进行弹塑性分析。其中线性梁和二次梁单元允许剪切变形，并考虑了有限轴向应变，既适合模拟细长梁，也适合模拟短粗梁； 三次梁单元不考虑剪切弯曲和假设小的轴向应变，只适合模拟细长梁。此外，由于钢框架结构细长杆的特点，采用实体单元模拟时，节点和单元个 数较多，计算量大，且精度提高不明显，故一般可采用梁单元进行模拟。2、算例分析(考虑P- 效应的二阶弹塑性分析)(1 )模型参数钢框架模型：单跨两层平面框架单元类型：梁单元材料

20、本构关系：采用理想弹塑性的本构关系，屈服强度为235MPa泊松比0.3 <截面参数：工字型截面，翼缘：200x10，腹板：200x8。计算简图：图341计算简图(2)结果分析Mises应力云图：-L.O'0H . J-7 /ele'la0e -"- -1 .il-r I -=1 J d - 1 BA-OB Urhdiodo口口CIQDQQDO+ +*+*+-Id:euee3 I -1-7 忤怜511167I: 3 J?.:b-z c dbV'EtHSP!託口 3-1Ifl.r >|a|!to|<14- JiF 'ifrH- |_. 7

21、5 'l9F rima ry Var: 54 E =IjqIdpit 4日,'*： U IDDfiRnuur Seal# Fa«cr*： + l.COCftD图3.4.2 Mises 应力云图通过上图可以发现该框架破坏时共形成了5个塑性铰 位移云图:1>1Igm2?&p o JIDn_3n R-II- i p ii p 2 Imp 弓? +43工?37 0 4 n 6 n- 0 di-L'J； J0t>-Qj3db AbaqL-Si'har.da Td l .1口： Sts p-1snnjrt 3 d； ElBfj Timj Q.7

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24、;# 社羊 j a.MQ b. L *-1l 时 EG Nov 2 2S；53；C2 QMTtOt ；QO 3(E 15in-reir-ei-.t b. Btep Fnr曲- Fb、gMar: J. MagriiU-deBbr ie IIU ; U 6 '.iIq i * 小口 -1 S .»dk Fu 旳->1 * 0C -"+ C D图3.4.3 位移云图荷载位移曲线：图3.4.5荷载位移曲线由于采用的是力加载，无法得到荷载位移曲线的下降段；若保持竖向均布荷 载不变，水平荷载有位移控制加载，则可得到荷载位移曲线的下降段。结构能量时程曲线ETOTAL who

25、ig Model图346 能量时程曲线通过观察能量时程曲线可以发现，该曲线有5处明显的转折，此时出现了塑 性铰，最后能量突然下降表示结构形成机构， 发生破坏。由此可以得到荷载与塑 性铰数量的关系，如下图：荷载与塑性铰个数关系P/PU塑性铰个数图347 塑性铰情况第四章抗震性能4.1c钢支撑的滞回曲线有何特点？试采用梁单元来模拟钢支撑的滞 回性能，并阐述模拟的要点。答：钢支撑可以增大结构的抗侧刚度，减小结构的变形，提高结构的承载能力， 还可以大大提高结构遭遇罕遇地震时的耗能能力。 单个钢支撑的滞回特性包括稳 定的受拉特性、受压时发生屈曲且屈曲荷载不断降低、 受压卸载刚度逐渐降低等 复杂现象1、钢

26、支撑的滞回曲线特点钢支撑可显著增强结构的抗侧刚度，同时也是主要的耗能部件。钢支撑在往 复变形中受到几何、材料非线性影响，其滞回行为中包括多种复杂物理现象。单 个钢支撑的滞回特性包支撑受拉屈服、受压屈曲、往复荷载下屈曲承载能力退化、 循环切线刚度退化、塑性沿杆长截面发展、塑性下板件的局部屈曲及低周疲劳失 效等多种因素的影响。-OA 。DE *典型变形过程图4.1.1单循环加载时支撑变形过程及滞回曲线如图4.1.1所示是钢支撑在轴力作用下的典型变形过程和单循环滞回曲线。由于支撑存在初始缺陷，其两端施加的轴力会在跨中位置产生附加弯矩。在轴力到达A点之前，支撑处于弹性压缩阶段，承担的轴力和跨中附加弯矩

27、比例增加。 当跨中截面在压弯共同作用下屈服时（如图4.1.2所示），支撑在跨中位置将形成塑性铰，宏观上支撑开始发生屈曲现象（B点）1 Ormu、1w-stn ag-褪-L0图4.1.2截面弯矩-轴力相关曲线图4.1.3支撑多循环滞回曲线支撑屈曲后，塑性铰的转动导致支撑侧向变形增大， 轴力产生的附加弯矩迅 速增加，杆件的受压承载力迅速下降（BC段）。从C点开始支撑进入卸载和反向拉 伸阶段，支撑受压屈曲后的卸载刚度明显低于初始弹性刚度。拉伸到D点时跨中截面在拉弯共同作用下再次屈服并形成塑性铰，但此时塑性铰的转动方向与受压 时相反，支撑的侧向变形不断减小。随着拉伸变形的不断增加，支撑到达E点时接近全

28、截面受拉屈服。EF段支撑进入塑性拉伸变形阶段，而在 F点后支撑开始弹 性卸载并进入下一循环。由于包辛格效应和残留的侧向变形，后一循环的支撑稳 定承载力将会明显低于前一循环的。随着循环次数的增加，塑性损伤逐渐累积， 支撑的稳定承载力、屈曲后软化刚度和屈曲后卸载刚度等都将不断降低。支撑典型的多循环滞回曲线见图4.1.3所示。2、有限元模拟分析的要点 单个钢支撑滞回曲线模拟算例：模型参数：支撑长为4m工字型截面，翼缘：200x10，腹板：180x8。单元类型：三次梁单元（B23）。材料本构关系：理想弹塑性本构关系，屈服强度为 235MPa泊松比0.3加载方式：采用位移加载，幅值为0.05m，加载曲线

29、如下图：位移加载曲线图4.1.4位移加载曲线模拟结果：（XI £6-DQ*旬心？6000j030.04Displacement图4.1.5滞回曲线模拟要点总结：（1）合理设置初始缺陷。在ABAQU中可以通过修改关键字来添加初始缺陷，此外还可以横向施加均布荷载来实现初始缺陷，但此时需注意施加的横向荷载不能太大也不能太小，太大会导致构件很快破坏从而不收敛，而太小构件不会发生明显的弯曲变形，滞回曲线就会变成一条直线。（2）合理设置增量步的大小。增量步太大会导致计算很容易不收敛，而增量 步太小则使计算量大大增加。（3）采用位移加载的方式。如果采用力加载的方式，一但荷载超过杆件的临界荷载就发生

30、破坏导致放弃；而采用位移加载则没有这个问题，所以更容易收敛。(4 )单元类型宜采用三次梁单元。因为ABAQU中三次梁单元为 Euler-Bernoulli 梁单元，单元截面在变形过程中与轴线保持垂直，不考虑剪切 变形，因此采用三次梁单元模拟细长构件更为有效。4.2b 综述适用于钢构件、钢节点、钢连接的几种滞回模型和损伤指 数。答：1滞回模型：(1)节点的滞回曲线模型图423捏拢模型(2)轴心受力钢构件的滞回模型(a)为短柱模型；(b)为中柱模型；(c)为长柱模型(3)受弯构件滞回曲线模型图424 受弯钢构件的滞回模型2损伤指数：为防止钢结构在罕遇地震下严重破坏或倒塌，需进行钢结构弹塑性动力时程

31、 分析，根据选定的地震波和结构的恢复力特性， 对结构动力时程分析采用逐步积 分的方法计算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度、加速度、内力反应，从而 可以分析结构在弹性和非弹性阶段的内力变化及构件破坏、直至倒塌的全过程。 钢材料存在损伤，随着荷载的循环作用，在材料中的微裂纹、微空洞、剪切带等 细观损伤萌生、串接、汇合、扩展，从而形成损伤的动态演化过程，置之影响钢 结构的性能。为了定量描述结构防止在地震中倒塌的安全度，提出了损伤指数的概念。结构在其寿命周期内所能承受的地震破坏总量的预测由损伤指数控制，而损伤指数由刚度、强度和延性控制。对延性而言，损伤指数分别从构件级别、楼 层级别、整体结构级别代表

32、了塑性铰的塑性转动能力。(1) 构件的损伤指数可以由所需所需塑性转动能力和可提供的塑性主动能力之间的比值计算 得出：Id "r I 一(2) 楼层损伤指数代表了楼层抵御地震破坏的能力nbnbI ds 八 Idm I dm11(3) 整体损伤指数描述整个机构的损伤指数，包括地震作用下的结构整体性能nb nsnb 兔Idg 1爲/_ G1 11 14.3c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。答： 1 、减震装置（阻尼器）1.1 摩擦型阻尼器普通的摩擦阻尼器主要分为三层结构， 分别为中间钢板和上下两层的铜垫板。 普通摩擦阻尼器主要是通过中

33、间钢板对上下两层铜垫板的摩擦进行耗能， 中间钢 板与铜垫板通过螺栓进行连接， 在耗能过程中， 可以通过紧固螺栓或放松螺栓来 调节摩擦力的大小。螺栓的紧固力越大，摩擦阻尼器运动所产生的摩擦力越大。 同时，在该结构中采用钢板和铜两种材料，能够降低阻尼器滑动摩擦力的衰减， 从而有效保证了阻尼器性能的充分发挥。摩擦阻尼器由于造价低廉， 耗能能力较强而得到广泛的应用。 摩擦阻尼器的 研究始于 20世纪 70年代末。目前，研究开发的摩擦阻尼器主要有： Pall 摩擦阻尼 器、 Sunito-me 摩擦阻尼器、摩擦剪切铰阻尼器、滑移型长孔螺栓节点阻尼器。 这些摩擦阻尼器都具有较好的库仑特性， 摩擦耗能明显，

34、可提供较大的附加阻尼。 荷载大小、频率对其性能影响不大，且构造简单，取材容易，造价低廉，因而具 有很好的应用前景。我国目前关于摩擦阻尼器的工程应用实例较少，如东北某政府大楼采用了Pall 摩擦阻尼器进行抗震加固，并通过模型拟动力试验对加固效果进行了验证。 此外，比较典型的是云南省洱源县振戎中学新建食堂中安装了T形芯板摩擦耗能器该学校的语音教室和阶梯教室也作为试点安装了钢板一摩擦耗能器。1.2 金属阻尼器 金属阻尼器主要是利用金属材料在进入塑性范围后具有良好的滞回性能这 一特点，在结构发生变形前先行屈服， 以耗散大部分地面运动传递给结构的能量， 从而达到减振的目的。 由于金属阻尼器具有滞回特性稳

35、定、 耗能能力良好、 构造 简单、造价低廉、 对环境和温度的适应性强以及维护方便等优点， 引起了国内外 学者的广泛关注， 研究并开发出了包括软钢、 铅和形状记忆合金等多种形式的金 属阻尼器，其中以软钢阻尼器的应用最为广泛。(a)扭转型(t>)弯曲刑(c) (J型图4.3.1金属阻尼器最早得以应用的金属阻尼器是钢管耗能装置， 在新西兰一幢六层办公楼的预 制板的斜撑中被采用。在意大利那不勒斯的一幢两层的钢结构悬挂建筑的核心筒 和悬挂楼板之间采用了锥形软钢阻尼器。X形软钢阻尼器是一种形式简单的耗能 装置，比较典型的应用是在墨西哥的三幢钢筋混凝土的建筑加固工程中。1.3粘弹性阻尼器粘弹性阻尼器主

36、要依靠粘弹性材料的往复剪切滞回变形耗散并吸收输入到 结构中的能量，从而达到减小结构反应的目的。 在反复的轴力作用下，钢板产生 相对位移，使得夹在钢板间的粘弹性材料产生剪切变形， 耗散了输入结构的外部 能量。由于粘弹性阻尼器性能可靠、耗能能力强，其理论和试验研究也很成熟，并 且国内外都有规格化的产品，因此，在实际工程中应用广泛。粘弹性阻尼器最先用于对高层结构的风振控制，人们最为熟知的工程实例是 美国世界贸易中心双塔楼110层的高层建筑，每个塔楼大约安装了 10000个阻尼器< 另一个著名的建筑是1982年在美国西雅图建造的Columbia Center大楼，安装有 260个粘弹性阻尼器。此

37、外，粘弹性阻尼器还成功应用于高耸结构、大跨度结构 和桥梁结构的风振控制中。如我国哈尔滨的黑龙江电视塔、 合肥市体育馆、南京 长江二桥、上海的旱桥斜拉索桥，美国佛罗里达州的桥以及日本千叶市的体育馆 等。1.4粘滞阻尼器粘滞阻尼器的种类很多，依据阻尼力产生原理的不同可以归纳为两类。一类 是利用粘滞液体在敞开的容器中产生一定的位移来进行耗能的阻尼器。对于这类 阻尼器，由于构件通过在粘滞流体中运动， 使高浓度阻尼材料发生剪切变形， 因 此要求液体尽量粘稠以获得最大限度的阻尼。 另一类是利用粘滞液体在封闭的容 器中产生一定的流速来进行耗能的阻尼器。 对于这类阻尼器， 活塞要迫使粘滞液 体在很短的时间内通

38、过孔隙或缝隙， 以产生很大的阻尼力， 因此，对这类阻尼器 内部工艺设计要求较高。第一类粘滞阻尼器中比较典型的有圆筒式阻尼器和粘滞阻尼墙。 圆筒式阻尼 器由大小两个圆筒组成， 大圆筒固定在下层楼面， 小圆筒固定在上层楼板或梁底 并浸在大圆筒内。 地震发生时， 小圆筒在高浓度、 高粘滞性的液体内运动受到阻 力使之变形， 进而耗散输入结构体系的能量， 从而达到减震的目的。 第二类粘滞 阻尼器中最著名的是由美国 Taylor 公司生产的 Taylor 粘滞液体阻尼器， 主要由缸 体和活塞组成。 该阻尼器的不锈钢活塞杆头周围为环形间隙， 阻尼器的另一端是 为了抵偿由于活塞杆运动对硅油容积的改变而特殊设计

39、的调节油腔。 当活塞向内 运动时，部分活塞杆进入油缸， 硅油必然通过活塞头的孔反向流动， 由于硅油的 可压缩性，此过程中将产生抗力，即所谓的刚度发展反之，活塞杆向外运动时， 油缸内产生空腔， 硅油在油压差的作用下流回此反复过程中产生阻尼力， 可以耗 散输入结构的能量，以控制结构的反应。2、减震构造结构减震构造主要有基底隔震和悬挂隔震两种。2.1 、基底隔震构造在结构物底部与基础顶面之间设置隔震消能装置， 使之与固结于地基中的基 础顶面分开，限制地震动向结构物传递， 如图 4.3.2 所示。为达到明显减震效果， 通常基础隔震系统需具备以下四种特性：图432基底隔震构造图(1) 承载特性：具有足够

40、的竖向强度和刚度以支撑上部结构的重量；(2) 隔震特性：具有足够的水平初始刚度，在风载和小震作用下，体系能保持 在弹性范围内，满足正常使用的要求，而中强地震时，其水平刚度较小，结构为 柔性隔震结构体系；(3) 复位特性：地震后，上部结构能回复到初始状态，满足正常的使用要求。(4) 耗能特性：隔震系统本身具有较大的阻尼，地震时能耗散足够的能量，从 而降低上部结构所吸收的地震能量。基底隔震构造的适用范围：高度不超过40m以剪切变形为主且质量和刚度 沿高度分布比较均匀的多层和中高层结构2.2、基础隔震构造基础隔震主要采用隔震橡胶支座，隔震橡胶支座包括天然夹层橡胶支座、 铅 芯橡胶支座，高阻尼橡胶支座

41、等。2.2.1、天然夹层隔震橡胶支座天然夹层橡胶支座具有较大的竖向刚度，承受建筑物的重量时竖向变形小， 而水平刚度较小，且线性性能好，如图 4.3.3所示。图433天然夹层隔震橡胶支座由于天然夹层橡胶支座的阻尼很小， 不具备足够的耗能能力，所以在结构使 用中一般同其它阻尼器或耗能设备联合使用。2.2.2、铅芯隔震橡胶支座i a*円¥!握图4.3.4铅芯隔震橡胶支座铅芯隔震橡胶支座由新西兰的ROBINSON其公司最早研制开发，以后在中国、 日本、美国、意大利等国家都得到了较大的发展与应用。因为铅芯橡胶支座不但具有较理想的竖向刚度，如图 434所示，而且本身 具有消耗地震能量的能力，故铅

42、芯橡胶支座在结构使用中受到广泛欢迎。3、减震结构体系3.1、结构消能减振体系的分类结构消能减振体系由主体结构和消能部件（消能装置和连接件）组成，可以按照消能部件的不同一构件型式分为以下类型：3.1.1、消能支撑可以代替一般的结构支撑，在抗震和抗风中发挥支撑的水平刚度和消能减振 作用。消能装置可以做成方框支撑、圆框支撑、交叉支撑、斜杆支撑、K型支撑等，如图4.3.5所示。fn能圈榷./ ,.1 . r消II話：&活能装置方椎支挥 圆楫丸撐 何交艾支择2）斜杆支搏 （司K电丸撐图435 消能支撑3.1.2、消能剪力墙可以代替一般结构的剪力墙，在抗震和抗风中发挥支撑的水平刚度和消能减震作用。

43、消能剪力墙的形式如图4.3.6所示。图4.3.6消能剪力墙的形式3.1.3、消能节点在结构的梁柱节点或梁节点处安装消能装置。当结构产生侧向位移、在节点处产生角度变化或者转动式错动时，消能装置即可以发挥消能减震作用，如图4.3.7所示。3.1.4、消能联接消能联接是在结构的缝隙处或结构构件之间的联结处设置消能装置。 当结构 在缝隙或联结处产生相对变形时，消能装置即可以发挥消能减震作用，如图438 所示。泊能装置消能装置图438消能联接3.1.5、消能支承或悬吊构件U匸缸2.副缸3、导杆4.活寒5.阳尼材料（硅油或液Jk油）匕 阳尼孔图439消能支承或悬吊构件对于某些线结构（如管道、线路，桥梁的悬

44、索、斜拉索的连接处等），设置 各种支承或者悬吊消能装置，当线结构发生振（震）动时，支承或者悬吊构件即 发生消能减震作用，如图4.3.9所示。最常见的消能器为粘滞（流体）阻尼器和粘弹性阻尼器。粘滞（流体）阻尼 器：基本原理是与结构共同工作的粘滞流体阻尼器的导杆受力，推动活塞运动, 活塞两边的高粘性阻尼介质产生压力差，使阻尼介质通过阻尼孔，产生阻尼力。4.4b目前各国抗震规范中普遍米用 小震不坏、中震可修、大震不 倒”设防水准，与之相适应的抗震设计存在哪些局限性？新兴的基于 性能的结构抗震设计有哪些主要优点？进一步综述基于性能的结构 抗震设计的基本思想、基本步骤、结构性能水准和抗震设防水准、与 之

45、相适应的结构计算分析方法、现阶段实际工程应用还存在的困难、 国内外研究和实践的进展。答： 1. 目前的抗震设计存在的局限性（1）按现行建筑抗震设计规范设计的结构总体上保证了“大震不倒”的安全目 标，但是，地震某些结构的损伤极严重，结构难以修复且基本丧失了使用功能。 或者，地震作用下结构过大的变形造成了室内设备严重损坏， 由此带来的经济损 失甚至可能超过建筑物本身的造价。 现行的抗震设防水准只有三个性能目标， 且 宏观定性目标，存在局限性。（ 2）现行抗震设计需要依照规范按部就班 , 缺乏灵活性 , 结构设计人员处于被 动状态。其抗震设计的实施方法是按照指令性、 处方形式的规定进行设计： 通过

46、结构布置的概念设计、 小震弹性设计、 经验性的内力调整和构造处理及部分结构 大震变形验算 , 即认为可实现预期的宏观的设防目标。（ 3）对复杂结构有局限性 , 尚不能适应新技术、 新材料、新结构体系发展要求。 2、基于性能的结构抗震设计的优点（1）强调建筑结构性能目标的“个性化”. 基于性能的抗震设计除了满足“共性”外 , 更加注重“个性”设计 , 增加了业 主与设计人员的交流 , 根据结构的用途及业主的要求确定结构性能目标后 , 设 计人员可以选择实现该性能目标的设计方法 , 采用相应的构造措施 , 既调动了 设计人员的积极性 , 业主、设计师有更大的自主权。（2）不仅强调保证生命安全，同时

47、强调避免财产损失。. 基于性能的抗震设计理论提出了多级目标设计理念 , 既要保证生命安全 , 又要 避免经济损失超过业主和社会的承受能力 , 更加注重非结构构件和内部设施的 保护 , 因此根据投资效益准则 , 引入经济决策机制 , 它通过进行费效分 析 , 在可靠和经济之间选择一种合理的平衡 , 以确定最佳抗震设计方案 , 达到 优化设计的目的。（3）克服现有规范的局限性 与现行抗震设计方法不同的是， 基于性能的抗震设计除满足基本要求外 , 需要提 出符合预期性能要求的论证 , 包括结构体系、 详尽的分析、抗震措施和必要的试 验 , 并通过专门的评估予以确认。（4）有利于新材料、新方法的推广应

48、用3. 基于性能的结构抗震设计概述3.1 基本思想基于性能的抗震设计的概念是指从项目的提出开始， 直到建筑寿命结束的全 过程，它包括地震危险性分析、性能水准和性能目标的选择、场地适应性决策、 概念设计、初步设计、最终设计、设计可行性检查、设计重复检查、施工质量保 证和建筑物寿命期内的维护， 每一步都是性能工程的关键， 必须达到与选择的性 能目标相适应的水平，其中最重要的组成部分是结构设计。3.2 基本步骤基于性能的抗震设计主要包括三个步骤： （1）根据结构的用途、业主和使用者的特殊要求，采用投资 - 效益准则，明确建 筑结构的目标性能（可以是高出规范要求的“个性”化目标性能）（2）根据以上目标

49、性能，采用适当的结构体系、建筑材料和设计方法等（而不 仅仅限于规范规定的方法）进行结构设计。（3）对设计出的建筑结构进行性能评估，如果满足性能要求，则明确给出设计 结构的实际性能水平，从而使业主和使用者了解 （这是区别于目前常规设计的） ； 否则返回第一步和业主共同调整目标性能，或直接返回第二部重新设计。3.3 抗震设防水准根据美国联邦紧急救援署提供的资料， 基于性能的抗震研究可以沿用四个性能水 准：水准 1 基本完好：无永久侧移；结构基本保持原有强度和刚度；结构构件 以及非结构构件基本不损坏。所有重要设备仍正常工作。水准 2 轻微破坏：无永久侧移；结构基本保持原有强度和刚度；结构构件 与非结

50、构构件有轻微破坏。电梯能够重新启动，防火措施得力。水准 3 生命安全：所有楼层都有残留强度和刚度；承受重力荷载的构件仍 起作用；不发生墙体平面外失效或女儿墙倒塌；有永久侧移。隔墙破坏，建筑修 复费用可能很高。水准 4 不倒塌：几乎没有残留刚度和强度；但承受荷载的柱子和墙体仍起 作用；有大的永久侧移。 一些出口被堵， 内隔墙和无支撑的女儿墙已经或开始失效，建筑即将倒塌。3.4 结构计算方法 基于性能的抗震设计方法目前主要有三种： 承载力设计方法、 位移设计方法和能 量设计方法。3.4.1 承载力设计方法 承载力设计方法是目前各国规范所普遍采用的方法。3.4.2 位移设计方法基于位移/ 性能的抗震

51、设计方法是近些年来随着人们对结构抗震认识的深入 而产生的。 根据设计思路的不同， 基于位移的抗震设计可以下分为： 直接基于位 移的设计方法、能力谱方法和按延性系数设计的方法。直接基于位移的抗震设计方法是先假定结构的整体侧移模式， 并按照结构动 力学方法将实际的多自由度体系转化为等效单自由度体系， 确定等效单自由度体 系结构的弹塑性地震位移反应， 再根据侧移模式反算出原多自由度体系各楼层的 弹塑性地震位移反应， 验算其是否符合限值要求。 该抗震设计方法直接用位移指 标衡量结构的性能，比较直观，计算方法也较为简单，便于设计中应用。能力谱方法是通过将地震反应谱曲线和结构能力谱曲线转换成相同的格式， 求得两个曲线相交点 （称作性能点）的位移（称作目标位移 ） ，或者采用图示的方法 直观地评估结构在给定地震作用下的性能。 该方法的特点是结构在地震作用下的 “需”与“供”较为明确，有助于判断结构的性能，目前大都采用能力谱方法对 结构进行抗震性能评估。按延性系数设计的方法就是要考察结构屈服以后的延性反应过程， 研究构件 与结构的延性问题。 按延性系数设计的方法侧重构造措施在结构抗震设计中的作 用，对构造措施进行定量分析， 并试图建立一个