钢结构中的塑性铰及其应用综述

1、钢结构中的塑性铰及其应用综述姓名：严小伟学号：15121116北京交通大学2020年10月钢结构中的塑性铰及其应用综述摘要:结构构件在地震作用下产生塑性变形，在塑性铰形成的过程中能吸取大量的能量。在设计中恰到好处地设计塑性铰形成的位里并加以应用，可有效降低震害，不至于出现迅速倒塌的后果。关键字：塑性铰理论；塑性变形；破坏机制1.引言 地震是一种具有突发性和毁灭性的自然灾害，它对当今人类社会的危害主要体现在两个方面:一是地震引起建筑物的破坏或倒塌将会导致严重的人身伤亡和财产损失，二是地震及其地震引起的水灾、火灾等次生灾害将破坏人类社会赖以生存的自然环境，造成严重的经济损失，产生巨大的社会影响。我

2、国地处世界上两个最活跃的地震带上，是世界上的多地震国家之一，强烈地震给我国人民带来的灾难尤为严重。从历史上来看，我国的地震灾害面积己达到我国的国土面积的一半以上，尤其在近几年地震活动相当频繁。因为很多特大地震给人类带来了巨大的经济损失，一些特大地震己给人类社会带来了不可估量的经济损失，这就使得我们要对深入研究土木工程结构的抗震设计理论和应用方法进行深入的研究。不同阶段，客观因素和人类的认识水平是不一样的，这就形成了不同的抗震设计思想和方法。通过工程技术措施，保证建筑物和工程设施的抗震安全，是减轻地震灾害的有效手段，作为抗震灾害的重要环节，结构抗震设计理论的不断完善是世界各国重点研究的课题之一。

3、结构在塑性变形中形成的塑性铰在抗震中能发挥重要作用，塑性铰能否在罕遇地震中出现，对结构安全和生命财产的安危是至关重要的。所以，很有必要对其进行研究和探讨，并应充分利用塑性铰来消耗地震的能量，提高结构的抗震性能，降低地震灾害。2、塑性铰的有关概念 钢结构中的塑性铰在钢结构构件屈服的横截面处产生。如果不考虑结构分析中钢材应变硬化,那么屈服的横截面会产生一个不确定的转动并能承受一定的约束弯矩即塑性弯矩Mp。 塑性铰是与理想铁相比较而言。理想铰不能承受弯矩，而塑性铁能够承受弯矩，其值即为塑性铰截面的极限弯矩。对于超静定结构，由于存在多余联系，某一截面的纵向钢筋屈服，即某一截面出现塑性铁并不能使结构立即

4、成为破坏结构，还能承受继续增加的荷载。当继续加荷时，先出现塑性铁的截面所承受的弯矩维持不变，产生转动，没有出现塑性铰的截面所承受的弯矩继续增加，直到结构形成几何可变机构。这就是塑性变形引起的结构内力分布，塑性铰转动的过程就是内力重分布的过程。塑性铰的长度塑性铰长度是进行结构延性计算和塑性设计的一个重要参数。在结构铰的分析中,我们都习惯并认同假定其为一个点,但塑性铰却与结构较不一样,而是一个塑性变形区域,我们一般称为塑性铰的长度。研究表明,塑性铰的长度与结构的荷载、边界条件、截面几何形状有关。3、塑性铰理论对塑性铰理论的研究，早在20世纪60年代Wen和Janssen就曾提出过一种双线型单元模型

5、;Clough, Bensnka和Wilson提出一种双分量模型;Aoyama 和sugan在他们研究的基础上提出了3分量模型。但是无论是双分量还是三分量模型使用范围都非常有限。鉴于杆件实际破坏过程中，塑性铰往往出现在构件端部，集中塑性铰模型被提出。Giberson 提出利用杆端塑性转角描述杆件的弹塑性性能的模型，恢复力模型可以选择折线型和曲线型，适用范围较广;Otani 和Sown认为，构件的刚度随着构件受力过程和反弯点位置的变化而变化，即杆件被分为弹性、弹塑性杆端弹塑性弹簧段，反弯点位置由加载历史确定;孙焕纯1A首先使用平均刚度值来模拟构件的刚度，它没有考虑刚度沿杆件分布的变化。分布塑性铰

6、模型比集中塑性铰模型计算精度高，它模拟了构件塑性铰区域的发展变化情况。1973年Tseng和Penzien提出理想弹塑性铰梁柱单元，在其后的20年中，Kawashima, lmbsen和Mcguire等人提出了新的考虑运动强化的非线性梁柱单元。针对AC1318-95规范，Abraham C.Lynn等人指出，延性设计不好的柱子，容易遭受剪切破坏;当结构的反应由剪力控制时，在抗剪的横向抗力消失后，柱子随即发生重力失效。美国学者Ghobarch等人对地震作用下钢筋混凝土梁柱结点的破坏进行了研究，并提出了预防结点破坏的有效方法。国内外还有许多学者对钢筋棍凝土构件的非线性特性和破坏过程进行了大量的试验

7、与理论研究。4、塑性铰出现的部位当地震作用于结构构件上并发生塑性变形时，该截面上各点均进入屈服状态。对钢筋混凝土构件而言，在塑性铰形成时，混凝土拉应力已达到屈服状态，而钢筋拉应力还未达到，若受拉变形继续变大，在二者的相互作用下，在该接触部位始终保持一个“弹性核”，当应变继续加大，钢筋达到屈服时，与混凝土的粘结力破坏，这时出现了塑性变形集中区的塑性铰，在这个过程中，塑性铰要吸收和消耗较多的地震输人能，而在其他部位则得到一个相对安全的保证。因此，塑性铰一般出现在受力较大的部位，如梁的跨中及根部，柱的端部。塑性铰发生位置对框架结构抗震性能的影响是通过以下两方面来实现的: (1)结构物抗震减震的能力，

8、是通过它的耗能能力来体现的。如果塑性铰设置的位置合理，那么结构物就具有良好的抗震能力。(2)塑性铰设置的位置可以明显改变整体结构的刚度。如果塑性铰设置的位置使结构的振动主频与地震输入的主频相距较大，那么它的抗震性能也是很好的。5、塑性铰的破坏机制 梁铰破坏机制是指框架梁端的抗弯承载力弱于框架柱端的承载力时，结构的破坏表现为梁端首先进入屈服状态，塑性铰的转动耗散大量地震能量，而各层柱在较长的时间里基本处于弹性状态，最后才在底层柱根部出现塑性铰。结构整体围绕柱根部做刚体转动，就总体而言，结构仅为单自由度体系。 柱铰破坏机制是指框架柱的承载力弱于框架梁的承载力时，在水平荷载作用下，结构破坏表现为柱端

9、进入屈服状态，而梁仍处于弹性状态，在最不利的情况下，可能由于其他各层柱子均相对较强而仅在其一层形成柱铰侧移机构，而使整体结构达到承载能力极限状态。 框架结构的变形能力与框架的破坏机制密切相关。实验研究表明，梁先屈服，可使整个框架有较大的内力重分布和能量耗散能力。由上述可见，理想的破坏机制应为最少自由度的机制，对于框架结构，应使其成为梁铰型侧移屈服机构，以充分利用梁塑性铰区的非弹性变形来耗散地震能量。在抗震设计中一方面应防止塑性铰在竖向构件上出现，另一方面应迫使塑性铰发生在水平构件上，同时要尽量推迟塑性铰在框架柱根部出现。要想更好地实现这一目标，首先应能准确地判别一个结构的破坏机制，然后采取不同

10、的措施予以合理的设计。6、形成塑性铰的措施 在地震作用来临时，我们希望结构出现塑性铰来吸收地震能量。可采用以下几种措施: (1)对于抗震结构，宜采用延性性能好的材料钢或合理配置钢筋的钢筋混凝土而成的延性性能好的构件，并以此构成延性较好的结构。这样，当结构遭受罕遇地震作用时，结构也可依靠钢材屈服后有足够的延性，使在弹性后的塑性变形过程中吸收和耗散能量。经验表明，大部分抗震结构在中震作用下都进入塑性状态而耗能，因而能将结构保存下来，不至于倒塌。 (2)要使结构成为延性结构，首先在结构体系上应是超静定的，而不是呈悬臂状的静定结构，并且还需要使塑性铰最先出现在此超静定结构的次要构件或水平构件上.然后才

11、出现在主要构件或竖向构件上，以形成多道抗震防线，延长非弹性的发展过程，增大变形能力，吸收和耗散地震能量，提高结构的防倒塌能力。 (3)采用不同的抗震等级。可通过合理的结构体系、合理布置结构、对构件及其连接采取各种构造措施等多方面的努力来提高延性进而形成塑性铰，当然施工质量好坏对结构延性也有很大的影响。抗震等级的划分主要考虑了地震作用，它包括区分设防烈度、场地类别;考虑了结构类型，它包括区分主、次抗侧力构件;还考虑了房屋高度等因素。所以，抗震等级的划分在很大程度上发挥了作用。 (4)结构中有限的延性破坏也要控制，在地震作用下塑性铰的弯曲屈服对整个构件的强度、非线性变形以及结构的耗能能力起控制作用

12、。因此，要做到以下几点:控制塑性铰在某个恰当的部位出现;在塑性铰区防止过早出现剪切破坏，即按强剪弱弯设计，并防止过早出现锚固破坏(强锚固);在塑性铰区改善抗弯及抗剪钢筋构造，控制斜裂缝的发展，充分发挥弯曲作用下抗拉钢筋的延性作用。7、塑性铰的应用在结构设计中根据塑性铰的形成原理人为的设计塑性铰出现的先后顺序或者将要出现塑性铰的截面处用阻尼器装置代替，使结构在强能力输入时依靠塑性铰的形成耗能或依靠出现塑性铰处设计的阻尼器耗能从而避免结构的破坏。所谓“强柱弱梁”即有抗震设防的框架结构中，在地震作用下，能呈现“梁铰机制”，使梁端首先出现塑性铰，避免柱端出现塑性铰，使整个框架在地震作用下，具有良好的变形能力。将梁的塑性铰位置从柱边移开，通过增加节点中的辅助纵向钢筋并使其伸入两侧梁内一定距离，将可能发生的梁内塑性铰区段从柱边移开，使其在距柱边一个梁截面有效高度处形成，这样，在反复循环荷载作用下，非弹性变形不会侵入节点内(塑性铰产生非弹性效应，形成非弹性变形)，这样框架结构便能在循环荷载的反复作用下，仍能