钢结构的塑性设计

钢结构的塑性设计第1页，共39页，2023年，2月20日，星期四1.塑性设计的基本介绍1.1塑性设计的发展1.2塑性设计的优点第2页，共39页，2023年，2月20日，星期四1.塑性设计的发展

1914年匈牙利建立了世界上第一座塑性设计的建筑物，随后英、加、美等国均在本国建立了塑性设计的工程。英国在1948年第一个把塑性设计方法引进了BSS499规范。随后，以英国和美国为中心，迅速地普及塑性设计。现已公认，塑性设计简单、合理，而且可以节约钢材，所以英国和荷兰的低层建筑几乎全部采用塑性设计，美国和加拿大的大部分低层建筑也应用塑性设计。我国1988年的《钢结构设计规范》（GBJ17-88）开始列入塑性设计，新修订的GB50017规范又进行了局部修改。第3页，共39页，2023年，2月20日，星期四1.塑性设计的基本介绍1.1塑性设计的发展1.2塑性设计的优点第4页，共39页，2023年，2月20日，星期四1.2塑性设计的优点钢材具有良好的延性，在保证结构构件不丧失局部稳定和侧向稳定的情况下，可以在超静定结构中的若干部位形成具有充分转动能力的塑性铰，引起结构内力的重分配（redistributionofinternalforces），从而发挥结构各部分的潜能。这种以整个结构的极限承载力作为结构极限状态的塑性设计（plasticdesign）方法具有如下的优点：

第5页，共39页，2023年，2月20日，星期四（1）与通常的弹性设计方法相比，可以节约钢材（10％～15％）和降低造价；（2）对整个结构的安全度有更直观的估计。通常的弹性设计方法在弹性范围内可以给出精确的内力和位移，但给不出整个结构的极限承载能力；（3）对连续梁和低层框架的内力分析较弹性方法简便。第6页，共39页，2023年，2月20日，星期四钢结构的塑性设计1.塑性设计的基本介绍2.塑性设计的基本假定及使用条件3.塑性设计中的稳定性问题4.塑性设计中节点设计第7页，共39页，2023年，2月20日，星期四2.塑性设计的基本假定及使用条件2.1钢结构塑性设计的基本原理及基本假定2.2塑性设计的适用条件2.3塑性设计中材料的应变硬化性能的重要性第8页，共39页，2023年，2月20日，星期四2.1钢结构塑性设计的基本原理结构的塑性设计就是考虑一定数目的截面形成了塑性铰，使结构（整体或局部）变为机构而破坏，以此作为承载力极限状态进行设计。即首先要确定结构破坏时所能承担的荷载——极限荷载，然后将极限荷载除以荷载系数得出容许荷载，并以此为依据进行设计。为了确定极限荷载，必须考虑材料的塑形变形，进行结构的极限分析（或塑性分析）。所谓极限分析就是对结构变成机构前的变形不考虑，避开破坏前的全部分析，直接计算极限荷载。第9页，共39页，2023年，2月20日，星期四极限分析的假定极限分析的假定包括：

1材料为理想的弹塑体

第10页，共39页，2023年，2月20日，星期四极限分析的假定2理想截面，即假定塑形区只集中在一个截面上3比例加载第11页，共39页，2023年，2月20日，星期四2.塑性设计的基本假定及使用条件2.1钢结构塑性设计的基本原理及基本假定2.2塑性设计的适用条件2.3塑性设计中材料的应变硬化性能的重要性第12页，共39页，2023年，2月20日，星期四2.2钢结构塑性设计的适用条件塑性设计适用于不直接承受动力荷载的固端梁、连续梁以及由实腹构件组成的单层和两层框架结构。采用塑性设计的结构或构件按承载力极限状态进行设计时，应采用荷载的设计值，考虑构件截面内塑性的发展以及由此而引起的内力重分布，采用简单塑性理论进行内力分析。按正常使用极限状态设计时，采用荷载的标准值，并按弹性理论进行计算。第13页，共39页，2023年，2月20日，星期四2.塑性设计的基本假定及使用条件2.1钢结构塑性设计的基本原理及基本假定2.2塑性设计的适用条件2.3塑性设计中材料的应变硬化性能的重要性第14页，共39页，2023年，2月20日，星期四2.3塑性设计中材料的应变硬化性能的重要性

采用塑性设计法进行设计的主要原因之一是可以避免繁琐的计算，原因之二是弹性设计过于保守。在塑性设计中，为了计算上的方便，引入了材料理想弹塑形的假定。这一假定当然是合理的，但有时可能会造成对材料的应变硬化性能的忽视；另外，塑性设计强调材料抵御变形的能力，因此用于塑性设计的材料必须具有足够变形的能力，以满足结构形成机构而达到承载力极限状态的要求。从这一点来看，具有明显屈服平台的材料，如软钢是用于塑性设计的理想材料。值得注意的是，在强调材料延性的同时，还要重视对材料应变硬化性能的要求。第15页，共39页，2023年，2月20日，星期四2.3.1无应变硬化性能的材料不适用塑形设计在塑性设计中，计算构件的塑性铰弯矩Mp时，一般将具有明显屈服台阶的材料看作理想弹塑性体，即忽略材料应变硬化阶段。这样处理主要是为了使得计算简化，算得的承载力和实际相差不大，并偏于安全。但是这种简单化并不意味着所用的材料可以不具有应变硬化性能。恰恰相反，材料必须具有一定的应变硬化工作阶段才有可能达到形成机构的极限状态。

第16页，共39页，2023年，2月20日，星期四例：受均布荷载q的固端梁第17页，共39页，2023年，2月20日，星期四第18页，共39页，2023年，2月20日，星期四极限分析的理想截面假定认为，塑性铰间的杆件是弹性的，这样可根据虚功原理，由图b和图c来确定：第19页，共39页，2023年，2月20日，星期四如果材料是理想弹塑体，则只有曲率Ｋ无限大时才能出现这一转动，dx=0，K必然趋于无穷大，但事实上这是不可能的。因此，机构也就无法实现。理想弹塑体的梁最大荷载达不到塑性设计的极限荷载，这样就会导致塑形设计的失败。第20页，共39页，2023年，2月20日，星期四具有应变硬化性能的材料截面的弯矩不仅可以达到Mp，还有可能超过这一值。这样，在梁端会出现一个短的塑性区，即dx≠0，曲率Ｋ成为了有限值，机构也就有可能实现了。当梁的材料具有应变硬化性能时，它的最大荷载能达到极限荷载并且还能超过这个值，塑形设计得以实现。第21页，共39页，2023年，2月20日，星期四2.3.2应变硬化性能过弱的材料也不适用于塑性设计A.P.Hrennikoff用铝合金连续梁的实验表明：不仅缺少应变硬化性能的材料不适合用于塑形设计，硬化程度很弱的材料同样不适用。工字形截面，材料没有明显屈服点，以残余变形0.2%确定屈服应力fy=269MPa,极限强度fu=298MPa,二者比值仅仅是1.1第22页，共39页，2023年，2月20日，星期四试验结果：B、C两截面的弯矩均达Mp,但D截面弯矩约达Mp/2时，C处受拉翼缘就被拉断致使梁丧失承载力。（试验过程中采用了防止翼缘局部屈曲的特殊措施）D截面弯矩没有达到塑性设计的塑性弯矩Mp，梁的弯矩重分布不完全，也就没有达到塑形设计中形成机构的极限状态。第23页，共39页，2023年，2月20日，星期四2.3.3适用于钢结构塑性设计的钢材规范规定按塑性设计的钢结构，其钢材必须满足三个条件：强屈比fu/fy≥1.2；伸长率δ5≥15％；相应于fu的应变εu不小于20倍的屈服点应变εy。第24页，共39页，2023年，2月20日，星期四钢结构的塑性设计1.塑性设计的基本介绍2.塑性设计的基本假定及使用条件3.塑性设计中的稳定性问题4.塑性设计中节点设计第25页，共39页，2023年，2月20日，星期四3.塑性设计中的稳定性问题

3.1防止局部屈曲防止板件在结构成为机构之前局部屈曲需要对它的宽厚比严格控制3.2防止弯扭屈曲防止构件在成为机构前弯扭屈曲要靠适当布置侧向支撑（可用限制侧向长细比λy作为保证梁段在塑性铰处的转动能力的一项措施）构造要求第26页，共39页，2023年，2月20日，星期四钢结构的塑性设计1.塑性设计的基本介绍2.塑性设计的基本假定及使用条件3.塑性设计中的稳定性问题4.塑性设计中节点设计第27页，共39页，2023年，2月20日，星期四4塑性设计中的节点设计4.1全部采用螺栓连接4.2螺栓和焊缝混合连接4.3短梁过渡连接第28页，共39页，2023年，2月20日，星期四4.1全部采用螺栓连接ab第29页，共39页，2023年，2月20日，星期四4.2螺栓和焊缝混合连接

4.3短梁过渡连接d第30页，共39页，2023年，2月20日，星期四由于剪切变形会引起刚架的梁柱端刚度的退化，所以必须采取措施加强节点域的刚度。（a）采用小板对柱翼缘加强（b）加设斜向加劲肋（c）在腹板两侧焊上板来加厚，从而保证钢结构塑形充分发展和内力重分布第31页，共39页，2023年，2月20日，星期四谢谢第32页，共39页，2023年，2月20日，星期四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而使结构转化为破坏机构体系。用简单塑性理论进行框架分析是不考虑二阶效应的。按塑性分析的结构，变形较大，结构刚度也有所降低，二阶效应必然比弹性分析要大；如果再加上残余应力、初弯曲、初偏心等初始缺陷的影响，承载力会进一步降低。对于一般的连续梁、单层和两层框架，钢材硬化的有利影响可以抵消二阶效应对承载力的不利影响；如果设计者掌握了二阶理论的分析和设计方法，并有足够的依据时，也不排除在两层以上的框架设计中采用塑性设计

。第33页，共39页，2023年，2月20日，星期四第34页，共39页，2023年，2月20日，星期四

——对x轴的塑性毛截面模量；

——弯矩作用平面外的长细比，，为侧向支承点间距离，为截面回转半径；M1——与塑性铰相距为的侧向支承点处的弯矩，当长度内为同向曲率时为正，反之为负。

第35页，共39页，2023年，2月20日，星期四除防止侧向弯扭屈曲的要求之外，塑性设计的结构尚应考虑下述构造要求：(1)为避免引起过大的二阶效应，受压构件的长细比不宜大于。这比弹性设计的稍严。(2)所有节点及其连接应有足够的刚度，以保证节点处各构件间的夹角保持不变。为达此目的，采用螺栓的安装接头应避开梁和柱的交接线，或者采用加腋等扩大式接头。构件拼接和构件间的连接应能传递该处最大弯矩设计值的1.1倍，且不得低于，以便使节点强度稍有余量，减少在连接处产生永久变形的可能性。