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钢结构设计中如何更好的利用刚才的塑性性能?

日期:2018-07-19 07:59:23   人气:  

时下,在建筑行业,钢结构的应用愈来愈额广泛。然而,由于钢结构的兴起历史较短,故而在材料应用和设计方法的发展上都还不太成熟。众所周知,钢材具有良好的可塑性,但是,目前我们在实践中对钢材的塑性性能的应用还较保守。另外,作为钢结构来讲,组成它的材料虽具有良好的塑性——可是结构的设计又利用了多少呢?在本文中,我们将在简单介绍钢材塑性性能的基础上对钢结构中塑性设计通过比较进行分析和探讨。

钢结构设计中如何更好的利用刚才的塑性性能?

2.钢结构用钢材的良好塑性性能利用的分析

由于对钢材良好塑性性能的了解有助于我们对塑性设计相关理论的掌握,所以进行简单的介绍。2-1钢材的塑性就是指在应力超过屈服点后,能产生显著的残余变形而不断裂的性质。由于钢材的良好塑性性能我们一般将钢材的力学模型简化为理想弹塑性体(见图一)。塑性性能好,使构件破坏前有明显变形,可以调整局部高峰应力,进行应力重分布。

钢结构设计中如何更好的利用刚才的塑性性能?

2.2它的这一性能在钢结构设计中(a)动载及地震区钢结构的推广应用;(b)在构件的强度和稳定设计中有一定体现。

2.3但从整体看由于钢材本身的塑性性能受(a)钢材中化学成份、冶炼方式、加工方式;(b)工作环境;(c)荷载方式;(d)连接方式的影响较大。而这些因素的分析很复杂,所以现在对钢材的塑性性能的应用还偏保守。

3.关于钢结构中塑性设计的分析

所谓塑性设计是指结构在荷载作用下形成机构为极限状态的设计方法,其宗件。(如楔形或阶形构件)

3.1采用塑性设计时不宜直接承受动载。

3.2针对钢结构塑性设计要求来分析钢结构中的塑性设计

3.2.1结构总体设计

由于塑性设计时考虑结构已部分进入塑性状态,已不符合弹性力学叠加原理的条件,不能用单荷载计算再组合的方法;极限分析时,采用塑性机构分析法,且在确定极限状态时的承载力可通过分析整体稳定与局部稳定进行调整。

3.2.2连接

我们以常用的门式刚架端板的螺栓连接节点来看(见图二),传统一般认为螺栓群受力是三角形分布(见图a),利用平衡条件来确定受力,我国即采用此方法。

可是欧洲的规范采用了塑性设计,认为从距离压力分布中心最远的螺栓开始,每一排螺栓的拉力独立发展至最大多余拉力重新分布,第二排螺栓的拉力最大。

由于篇幅所限,未进行算例比较,但是结果表明采用塑性设计更经济一些。但是该种方法需大量的实验及理论分析,常在规范中列表使用,我国研究尚未成熟。

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3.2.3构件

由于钢结构中主要为受压和受弯两种构件且主要产生失稳破坏。失稳破坏时,变形持续增加,一般通过宽厚比限值来控制。我们分为受弯和受压两种构件来讨论塑性设计(由于不采用格构式,只讨论实腹式)。由于结构塑性设计通常要求塑性铰形成在受弯构件端;受压构件不形成塑性铰。所以受弯构件板宽厚比要满足塑性要求,而受压构件可以放宽,但保证强柱弱梁。

(a)受弯构件

以前对受弯构件的失稳分析主要是按弹性理论建立模型进行推导,而进入塑性后以切线模量代替弹性模量,并且不考虑腹板的屈曲后强度。但是实际中当失稳发生在塑性阶段时,真实的极限荷载确定要考虑材料的非线性和几何非线性。鉴于此,现行设计中参照美国和日本的规范将受弯构件板件宽厚比限值进行修改(见附表)。

(b)受压构件

以前采用理想轴压杆为模型来进行推导,进入塑性状态后用切线模量代替弹性模量,这存在很大缺陷,现在一般已不采用该模型。但是由于它的受压腹板的屈曲后性能分析尚不成熟,所以现在仍未修改先限值。但通过计算比较,发现采用有限宽厚比的方法确定的极限荷载有所提高。现在仍在进行研究,以改进原有受压构件的板件宽厚比限定。

3.3关于塑性设计的几个注意点

尽管通过分析比较,我们发现塑性设计更能有效利用材料塑性性能,但是实践中由于研究试验还未完善,还有许多问题要注意。

3.3.1连接节点设计中考虑塑性设计可能更经济。但是结构中内力重分布后塑性变形集中在杆件中,所以节点设计还应该保证节点弹性范围内的强度要高于连接杆件中的极限强度。

3.3.2门式刚架如果做成等截面,采用塑性设计时塑性铰出现在梁端时,要考虑连接的转动能力的设计,这增加了分析的难度。

旨是利用材料较好的塑性,使截面在完全塑性之后内力塑性重分布。它与截面的极限荷载作为强度准则不是等同的概念。虽然钢材有良好的塑性性能,但并不是所有的钢结构都可采用塑性设计。

3.1钢结构能够采用塑性设计要满足的条件

3.1.1结构在达到内力塑性重分布之前不允许发生构件的局部失稳。虽然在局部失稳之后有些可利用的屈曲后强度,但承载力不能达到截面完全塑性时的强度,会导致塑性发展过程中承载力的退化。

3.1.2结构不能在形成机构前发生整体失稳,整体失稳将直接导致承载力下降。

3.1.3不采用格构式构件:因为这类构件在边缘屈服后向腹部发展塑性的余地很少,不能有效完成内力塑性重分布。

3.1.4不采用沿杆件截面连续变化或突然变化的构

3.3.3关于屈曲后强度的利用

(a)塑性设计时,局部失稳将会使构件中塑性不充分发展,此时不能利用屈曲后强度。

(b)反复荷载作用时,局部失稳易造成疲劳破坏,承载力逐步恶化,也不考虑利用屈曲后强度。

3.3.4校核

如果已设定塑性铰截面,再进行计算时,内力未达极限承载力,要进行调整,以保证塑性设计的要求。

4.补充说明

对钢结构中塑性设计进行了上述分析,我们可以看到这种设计方法的不断发展。但作者认为以下几个方面在应用中虽较少提及,可它们对钢结构的塑性设计有一定的影响。

4.1地震作用:新的抗震设计规范中,只是简单提到了钢结构的塑性设计,笔者认为可更深入的研究,上述节点连接的塑性设计在地震作用时影响较大,还易造成腹板的不安全。

4.2防火设计:钢结构中局部破坏后内力重分布使结构还可以继续承载,这可以给防火设计提供更新的思路。

4.3损伤研究:它的研究开始还不久,但它所确定的本构关系,采用了理想弹塑性模型进行分析,这对钢结构的塑性设计,也会产生影响。

当然,随着国际技术交流的加强和实验、实践的进一步完善,钢结构中的塑性设计将朝着更适用、更经济、更安全的方向发展。


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