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1、第四章 钢结构延性设计Ductile Design of Steel Structures结构延性设计的若干基本概念 钢结构延性设计的基本概念一、结构抗震设计的三准则 小震不坏 中震可修3 大震不倒刚度准则延性准则强度准则 钢结构延性设计的基本概念一、结构抗震设计的三准则 小震不坏刚度准则 设计者必须保证当地发生十年至十五年出现一次的小地震时，建筑物应无任何破坏。如何防止较脆的且只能承受有限变形的非结构构件产生破坏必须限制结构的弹性位移，如层间位移等钢结构延性设计的基本概念一、结构抗震设计的三准则2 中震可修强度准则 对于不常发生的中等地震，允许有一些非结构构件受到损坏。但必须避免结构的某些不
2、为由于大的非弹性变形而损坏，以免昂贵而又困难的修复工作在地震动荷载下总的结构反应必须是弹性的钢结构延性设计的基本概念一、结构抗震设计的三准则3 大震不倒延性准则 设计者要保证在使用期限内不会由于罕遇地震（最大地震力）而倒塌，允许有极大的经济损失。结构必须具有相当大的非弹性变形能力钢结构延性设计的基本概念二、抗震设计的目标1 可行的能量耗散机构塑性变形耗能 I ：建立希望出现的塑性铰次序；II： 依据I，给予每个构件适当的强度，以保证 结构的塑性铰旨在选择的位置出现。钢结构延性设计的基本概念二、抗震设计的目标2 抗震设计概念抗震设计基本原理的核心：在不可预见的激烈的地面运动中，在结构内选择一个特
3、定的耗能方式，即要求设计能够保证在发生大震时一个建筑物一定会怎样反应而非通过抗震分析，估计一个建筑物可能会怎样反应构造钢结构延性设计的基本概念二、抗震设计的目标3 能量耗散机构的选择 不同的结构体系的适宜能量耗散机构可能有所不同。举例：多层框架结构 塑性铰必须产生在所有的梁上强柱弱梁但 柱应比梁强多少，规范未定? 钢结构延性设计的基本概念二、抗震设计的目标3 能量耗散机构的选择 通常做法：I ：先选择一些构件，使之耗能；II： 其它构件则被予以足够强度，以保证已 经确定的耗能方式。钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性0 延性概念的引入 i ：动力分析表明:理论分析的弹性反应惯性力要比设计规范
4、对地震荷载下建议的侧向力大很多，差值几乎无法用安全系数调和；ii：但按规范设计的结构大多数经受住了地震的考验iii：反常的原因，结构通过了非弹性变形吸震和耗能延性钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性1 基本概念 所谓一个结构具有延性行为是指它能够承受较大的非弹性变形，而强度并不显著降低，故不至引起结构的失稳和倒塌 钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性* 延性概念的发展 材料的角度： 材料能够抵抗较大的非弹性变形而不降低其强度的能力钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性* 延性概念的发展材料的角度： 1964年, ASM（the Metal Handbook of the American
5、Society for Metals)定义“延性”为金属产生塑性变形而不产生裂缝的能力“Ductility” as “the ability of a material to deform plastically without fracture钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性* 延性概念的发展材料的角度： “brittleness” as “the quality of a material that leads to crack propagation without plastic deformations与“延性”相对应，“脆性”则为钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性* 延性
6、概念的发展根据上述概念，过去的观点一直认为：钢材是目前建筑材料延性最好的，因此，在钢结构设计中，想当然地利用了钢材的塑性变形能力；但是，事实表明：仅仅材料的良好延性并不能保证结构获得应具备的延性。Material ductility alone is not a guarantee of ductile structural when steel components and connections can fail in brittle manner 材料的延性 结构的延性钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性* 延性设计的起源和发展1860s，Luder在实验中发现受拉试件超过弹性极限时会
7、在其表面出现塑性铰线；1868，Tresca1870s，SaintVenant发现了同样的现象1886，Bauschinger进行了生铁试件的非弹性循环实验随后，其与Tetmajer一起进行了生铁柱在塑性范围内 的屈曲实验，提出了在当时欧洲广泛应用的柱 强度经验公式钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性* 延性设计的起源和发展在20世纪的上半叶，学者们开始关注钢材与钢构件截 面上的塑性性能；1914年，有一些相关的实验报告出来，这些研究活动 主要集中在德国例如：现在被广泛采用的Von-Mises (Huber-Hency-Mises) 屈服准则就是源于1904，1913，1925年的研究成果
8、钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性* 延性设计的起源和发展在20世纪的50s和60s，是这一领域相关研究的鼎盛时期其中以美国和英国的学者最为活跃，他们集合了其它国家学者的成果，给出了塑性设计与分析的工具，以替代当时的容许应力法（allowable stress method)此后，进一步的分析和实验研究则不仅针对构件的极限承载力，也开始针对整个结构体系。American Institute of Steel Construction 当时的设计方法和条文目前仍在沿用Canada Institute of Steel Construction钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性* 延性设计
9、的起源和发展在20世纪的60s以前，塑性设计并无抗震内容当抗震成为人们关注的热点后，研究方向主要朝两个方向发展：一、建立更加完善的构件模型，把精力主要放在构件与结构的稳定性上，当支撑设置适当，失稳与塑性可能同时发生。二、发展设计方法和构造措施，以使结构在地震荷载下发生循环非弹性变形和能保持稳定的塑性行为。需要构造措施保证在此之前不发生失稳破坏。延性十分重要钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性* 延性设计的起源和发展一、建立更加完善的构件模型，把精力主要放在构件与结构的稳定性上，当支撑设置适当，失稳与塑性可能同时发生。二、发展设计方法和构造措施，以使结构在地震荷载下发生循环非弹性变形和能保持稳
10、定的塑性行为。需要构造措施保证在此之前不发生失稳破坏。相互交融钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性2 钢结构延性设计所包含的内容：材料层次的延性截面与构件层次的延性结构层次的延性节点不屈服十分重要钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性3 延性的度量方式 结构的延性一般通过位移延性系数来度量 ：开始屈服的变位（弹性极限位移）非弹性末端的变位（极限位移）钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性 加州结构工程师协会推荐：3 延性的度量方式钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性 构件（以弯曲变形为主的构件）的延性一般通过截面延性系数（曲率延性系数）来度量 ：截面开始屈服的曲率截面非弹性末端的曲率3 延性的度量方式钢结构延性设计的基本概念三、结构的延性4 延性设计方法框架结构的整体位移延性系数构件截面的曲率延性系数控制必须强迫结构按预定次序和位置出现塑性铰以使结构按预定的模式破坏钢结构延性设计的基本概念钢结构延性设计的基础截面、构件、结构（包括节点）的塑性分析Ductile Design of Steel Structures M
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