高钢第四章-抗震设计

PAGE1PAGE154.2 钢构件、钢节点、钢连接滞回曲线模拟的要点？钢构件、钢节点、钢连接滞回曲线模拟的步骤为：选择所需要研究的钢构件、钢节点、钢连接的材料、连接形式、具体尺寸及屈相应判断准则；根据研究的对象不同，选择合适的有限元软件（如ANSYS、ABAQUS等）、单元形式和单元数进行有限元模拟；选择合适的加载制度；将所得的结果同试验的结果进行对比，判断模拟准确与否。在模拟过程中一般要的到以下几个曲线：滞回曲线骨架曲线：将滞回曲线各次循环的力的峰值点连接起来就形成了骨架曲线；滞回曲线包络图：对于每个试件，包络线面积大致代表了在加载到极限位移的一个加载循环中，节点所吸收的能量；加载刚度退化曲线卸载刚度退化曲线；捏缩发展曲线；现阶段有限元模拟中存在的一些问题：由于有限元分析中没有考虑焊接缺陷等因素的影响，所得到节点的延性都比较好。因此工程中为保证节点延性，必须保证节点梁柱焊接条件，尽可能减少焊接缺陷。适当地对节点进行局部构造的改进，也有利于节点受力性能的改善，减少节点焊缝区域脆性断裂的可能性；试验中曲线存在下降段，并且即使是同一位移加载，滞回的曲线也不是完全重合，并且随着滞回圈数的增加，节点的卸载刚度也是逐渐降低，说明实际中钢材存在强度和刚度退化。退化的程度与其前面的循环次数、滞回环的面积(节点的耗能能力)、塑性变形均有密切的关系。但有限元分析中的钢材强化准则并没有考虑退化的现象，并且卸载准则也是经典的弹塑性卸载准则，并没有考虑刚度的退化。现国内外均对此进行研究，累积损伤主要反映在钢材的裂纹发展和断裂，可定义损伤指数考虑钢材在反复荷载作用下的累积损伤，强度和刚度退化主要反映在构件和节点的屈曲、屈服和断裂，虽然现在也有很多考虑刚度强度退化的方法及模型，但均没有一种适用于各种节点形式的方法，此问题需要进一步研究；有限元分析的滞回曲线在弯折的位置高于试验结果，这由两方面原因造成：1.因为试验中材料缺陷和杂质的存在使得弹性承载力比有限元理想材料计算值低；2.钢材循环加载和单向拉伸得到的材性有很大的不同,原因见文献“NishimuraA，NagasakaT，lnoueN，eta1．Lowcyclefatiguepropertiesofalowactivationferriticsteel(JLF一1)atroomtemperature[J]．JournalofNucle—arMaterials，2000，283(1)：677—680”，循环加载作用下，钢材不具有明显的屈服点，而且曲线过度，而在有限元中输入的曲线为有明显屈服点的折线模型，这也导致了弯折处模拟的不够准确。4.5 适用于钢构件、钢节点、钢连接的几种滞回模型和损伤指数综述。滞回曲线是在反复作用下结构的荷载-变形曲线。它反映了结构在反复受力的过程中的变形特征，刚度退化及能量消耗，是确定恢复力模型和进行非线性地震反应分析的依据。又称恢复力曲线。结构或构件滞回曲线的典型形状一般有四种：梭形、弓形、反S形和Z形。如下图所示：（a）梭形说明滞回曲线的形状非常饱满，反映出整个结构或构件的塑性变形能力很强，具有很好的抗震性能和耗能能力。例如受弯、偏压、压弯以及不发生剪切破坏的弯剪构件，具有良好塑性变形能力的钢框架结构或构件的P一△滞回曲线即呈梭形。(b)弓形具有“捏缩”效应，显示出滞回曲线受到了一定的滑移影响。滞回曲线的形状比较饱满，但饱满程度比梭形要低，反映出整个结构或构件的塑性变形能力比较强，节点低周反复荷载试验研究性能较好，.能较好地吸收地震能量。例如剪跨比较大，剪力较小并配有一定箍筋的弯剪构件和压弯剪构件，一般的钢筋混凝土结构，其滞回曲线均属此类。(c)反S形反映了更多的滑移影响，滞回曲线的形状不饱满，说明该结构或构件延性和吸收地震能量的能力较差。例如一般框架、梁柱节点和剪力墙等的滞回曲线均属此类。(d)Z形反映出滞回曲线受到了大量的滑移影响，具有滑移性质。例如小剪跨而斜裂缝又可以充分发展的构件以及锚固钢筋有较大滑移的构件等，其滞回曲线均属此类。对于常用的滞回模型的归类和应用见下表1（若看不清请放大）：损伤指数：损伤指数是定量的描述构件或结构的破坏程度的物理量，通常选择结构的特征参数的变化来定量的描述结构破坏。构件损伤指数构件损伤指数可以定义为构件反应历程中某一累积量与相应的指标极限允许值之比，通常用D表示。损伤指数D具有如下性质：当D=0时，构件完好；当D=1时，结构完全破坏；当D处于E[0，1]之间时构件处于不同的损伤程度。从选择参数的数量上可以分为单参数损伤指数模型和双参数损伤指数模型。结构损伤指数对结构整体的损伤评价主要从两个方面来考虑：一是将结构作为一个整体，即一个大的反应体系，通过地震作用前后结构整体力学性能的变化来定义损伤变量，评价结构抗震性能；二是对组成结构的各个构件按构件损伤分析方法分别进行计算、评价，然后按一定的权重系数将求得的各构件损伤指数进行加权组合得到结构总体损伤指数。结构在的地震作用下是一个损伤演化过程，该过程是一个不可逆的能量耗散过程，因此研究结构在地震作用下的损伤演化规律有一定意义，但通常计算的损伤指数，只是离散时间步上的损伤值，我们可以以离散时间步的损伤值为基础，采用数学拟合的办法拟合出损伤演化方程，将地震作用下结构的倒塌破坏过程连续化，全过程的去研究结构的倒塌破坏。4.7 偏心支撑钢框架的有哪些类型？耗能机理如何？抗震设计要点和应注意的问题？国内外工程应用实例？钢结构中框架结构主要的结构形式有抗弯框架（纯框架）、中心支撑框架和偏心支撑框架等。其中，抗弯框架具有较大的延性和一定的耗能能力———其耗能主要是通过梁端塑性弯曲铰的非弹性变形来实现的，但这种结构形式的刚度较低。中心支撑框架在小震作用下有着很好的性能，主要是由于它具有较大刚度和强度；但在大震作用下，支撑易屈曲失稳，造成刚度及耗能能力急剧下降，直接影响结构的整体性能。偏心支撑框架是一种比较理想而经济的结构形式，它的支撑至少有一端偏高梁柱节点，直接连在梁上。其支撑与柱之间的一段梁即为耗能连梁。这种形式的框架较好地结合了前两者的长处，与抗弯框架相比，它每层加有支撑，具有更大的抗侧刚度及极限承载力；与中心支撑框架相比，它在支撑的一端有耗能连梁，在大震作用下，耗能连梁在巨大剪力作用下，先发生剪切屈服，从而保证支撑的稳定，使得结构的延性好，滞回环稳定，具有良好的耗能能力。下图即为三种框架形式。偏心支撑钢框架在弹性阶段与中心支撑钢框架具有相当的抗侧刚度，但在火震时具有更好的延性和耗能能力。根据支撑形式的不同，偏心支撑钢框架主要有K型、Y型、D型和V型4种常用的形式，如下图所示。D型偏心支撑钢框架构造简单，制作方便经济，弹性刚度较小；K型支撑的弹性刚度最大，构造则较复杂；V型支撑的刚度小于K型大于D型，而其延性最好，V型支撑其它性能与K型类似；Y型支撑将耗能梁设于框架梁以外，具有很好的弹性刚度与延性，构造上很方便。偏心支撑钢框架的耗能机理是：使耗能梁段的剪切屈服在先，从而保护支撑斜杆不屈曲或屈曲在后。合理的耗能梁段长度及节点构造能够使偏心支撑结构体系象框架结构体系一样表现出很好的延性和耗能能力。下图展示了三种框架结构的耗能机理。设计要点：使耗能梁段在正常使用阶段或小震情况下保持在弹性范围，而在强震作用下，通过耗能梁段的非弹性变形耗能。在偏心支撑结构体系中，耗能粱段就象电路中的保险丝一样，通过塑性变形，有效地限制了支撑中的轴向力，使支撑不屈曲，在强震作用下发挥其作用。注意要将耗能梁设计成结构最薄弱的环节。消能梁段是偏心支撑框架中耗散能量的主要构件，为此需要考虑与相连构件的承载能力相匹配、保证其在反复荷载下具有良好的滞回性能的各项措施。（1）消能梁段的钢材不应采用高强度钢，而因采用有良好塑性流幅的钢材。为此，消能梁段钢材的屈服强度不应超过345MPa。（2）为了保证塑性变形能力的充分发挥，消能梁段及与消能梁段同一跨内的非消能梁段，其板件宽厚比不应大于下表规定的限值。表中数值适用于Q235钢，其他牌号钢材的情况下应乘以235偏心支撑框架消能梁段及同跨梁段的板件宽厚比限值（3）支撑斜杆轴力的水平分量成为消能梁段的轴力，当此轴力较大时，除了降低梁段的受剪承载力外，还需降低该梁段的长度，以保证其良好的滞回性能。为此，当消能段轴力时，消能段长度应满足式（8.5.3-1）、（8.5.3-2）的要求。当ρ（AwA）<0.3时，当ρ（AwA）<式中：a——消能梁段的长度；ρ=（4）消能梁段腹板不得焊补强钢板，因为补强后腹板难以进入塑性。（5）消能梁段腹板不得开孔，腹板开孔将降低梁段的塑性变形能力。（6）消能梁段与支撑斜杆的连接处，应在腹板两侧设置与腹板高度相等的加劲肋，以传递梁段的剪力并防止在支撑斜杆集中力作用下发生梁腹板的屈曲。一侧加劲肋的宽度不应小于（bf/2-tw），厚度不应小于0.75tw和10mm中的较大值，bf、tw分别为消能梁段的翼缘宽度和腹板厚度。实例：贵阳201大厦:贵阳201大厦(观光综合楼)位于贵阳市金阳区，属于贵阳国际会议展览中心城市综合体的一个子项，建筑总高度为201m，地上高43层，地下2层。结构大屋面高156m，高宽比为6．7，共有33层，其中裙房有2层，首层高8m，二层为5．5m，31层和32层层高为6m，其余各层均为4．5m。设防烈度为6度，抗震设防类别为标准设防类，设计地震加速度为0．059，场地土类型为I类。安全等级为二级，设计使用年限为50年，耐久性为50年。此楼采用了创新结构形式：钢偏心支撑筒悬挂结构体系，在国内首次将悬挂结构应用于超高层结构。建筑效果图和偏心支撑图如下：4.9 你了解哪些结构抗震“保险丝”概念、构造和结构体系？请综述其特点、最新研究进展和工程应用现状。结构抗震“保险丝”概念是指将结构的某些部位(如支撑、剪力墙、节点、连接缝或连接件等)设置成薄弱环节，地震时通过这些薄弱环节产生变形来耗散或吸收地震能量以减小主体结构的水平和竖向地震反应，从而避免结构产生破坏或倒塌，以达到减震抗震的目的。1.粘弹性阻尼器减震结构装设粘弹性阻尼器减震结构基于性能的抗震设计要求建筑物在整个寿命期内，将结构在地震作用下的破损程度控制在预期的目标范围内，并且使抗震花费最低。通过改变粘弹性阻尼器的参数和数量，可以方便地控制结构的地震反应。典型的粘弹性阻尼器由两个T形约束钢板夹一块矩形钢板组成，T形约束钢板与中间矩形钢板接触面之间夹有一层粘弹性材料，钢板和粘弹性材料通过硫化的方法使其成为一个整体。在反复轴向力的作用下，T形约束钢板与中间的钢板之间产生相对运动，使粘弹性材料产生往复剪切变形，从而吸收和耗散能量。2.金属耗能器减震结构由于金属材料在进入弹塑性范围以后具有良好的滞回性能，因而可以被用来制造各种类型的耗能装置。将输入结构的地震能量引向金属耗能器加以吸收和耗散，从而能够保护主体结构的安全。金属耗能器大体上有：加劲阻尼耗能装置Whittaker等人最早研制出X形加劲阻尼耗能装置(ADAS)；台湾Khe-ChyuanTsai等人为了消除X形加劲阻尼耗能装置竖向轴力对其的影响，设计出了三角形加劲阻尼耗能装置(TADAS)。近些年，台湾国立交通大学的陈清祥等人对美国的Whittaker等人所提出的加劲阻尼耗能装置(ADAS)作了改进，研制出了开孔式耗能装置(制震板(HADAS))。加劲阻尼耗能装置是由数块相互平行的不同形状的钢板(矩形、X形、三角形、开孔形等)和定位装置组合而成，一般安装在人字形支撑顶部和框架梁之间，在地震作用下，由于框架层间相对变形引起装置顶部和底部的水平运动,使钢板弯曲屈服产生弹塑性滞回变形来耗散地震能量。Bergman和Goel对X型加劲耗能装置进行了性能试验，Tsai等人对三角形加劲耗能装置进行了低周反复荷载试验。实验结果表明：该类阻尼器具有良好的耗能能力；在很小的变形情况下即可发挥耗能效果，其稳定性和效能也比较好。在国内，1995年，欧进萍、吴斌等对X形和三角形钢板屈服耗能器的力学性能和减震效果进行了实验研究，得出钢板屈服耗能器基于疲劳性能的设计准则，另外还对钢板屈服耗能器的“薄膜效应”进行了研究，进一步提出钢板屈服耗能器考虑“薄膜效应”的疲劳验算准则；李冀龙等分别基于双线性本构关系和Ramberg-Osgood本构关系推导建立了X形和三角形钢板屈服耗能器的恢复力模型，为该类耗能器的参数设计提供了基础。邢书涛等还开发出一种由多片纵截面为中空菱形的矩形钢板叠加组成的新型钢板耗能器。李宏男等根据“利用钢板平面内受力提高初始刚度，并通过改变钢板平面几何形状提高变形耗能能力”的构想，开发研制出“单圆孔钢板耗能器”和“双X形钢板耗能器”，并对这二种软钢耗能器进行了性能试验和数值模拟研究。蜂窝状耗能器蜂窝状耗能器是由YasushiKurokawa等人开发研制的，该种耗能器是由蜂窝状开口的钢板组成，其中，上下两端安装高强螺栓的区域为刚性区，中间的X形腹板为柔性区，在地震作用下刚性区只产生微小的变形，而柔性区会产生大的变形。这种耗能器改变了以往的加劲阻尼耗能装置(如X型、三角形等)均采用耗能钢板平面外受力，利用钢板弯曲屈服以后产生明显的塑性变形来耗能减振的方式,而是采用钢板平面内的弹塑性剪切变形耗能减振方式。与平面外钢板耗能器在相同用钢量条件相比较，这类耗能器初始刚度较大、承载能力和耗能能力较大。YasushiKurokawa等人对蜂窝状阻尼器进行了性能试验，结果表明：该类耗能器的滞回曲线饱满，具有较高的耗能能力；如果在塑性变形区按弯曲比例分配各截面的尺寸，就能使在截面全长上都能屈服耗能，其力-位移滞回曲线呈纺锤形。金属圆环耗能器周云等设计了由低碳钢钢板卷成圆环焊接而成的金属圆环耗能器，随后提出“利用两个或多个耗能元件协同工作、同时耗能来设计新型耗能器”的构想，在金属圆环耗能器的基础上开发研制出耗能能力更强的“双环耗能器”和“加劲圆环耗能器”。无粘结支撑无粘结支撑是由内核心钢板和外方(圆或椭圆)型钢管之间填灰浆组成，内核心钢板和灰浆之间涂了一层无粘结材料，以确保核心钢板上的轴力不传到灰浆体和外钢管上，通过灰浆和外钢管共同作用阻止支撑弯曲，这些组件完美的结合使该支撑在屈服后能产生稳定、对称的拉压滞回性能。以前运用比较多的是单核心截面无粘结支撑。近几年运用的主要是由蔡克铨等人研制出的双核心截面无粘结支撑，使得无粘结支撑安装于结构中更方便。随着低屈服点钢的发展，Cheng-ChengChen等人利用低屈服点钢制成的构件做为无粘结支撑的核心部分，并对其进行了性能试验，结果表明