1、高等鋼結構原理3、4章學生作業系 （所）：建筑工程系班 級 學 號：姓 名： 培養層次：專業碩士2014年12月13日第三章第一組3.1b 試用簡單塑性分析法，求出圖3.1b所示超靜定梁的極限荷載。當0<x <1時，試求最大極限荷載的作用位置和大小。FPx (1-x)l=Mu+Mu(1-x) FP= Mu(2-x)/ x (1-x)l由數學知識可得當x=2-2時取最大值，FP=2 Mu/(32-4)第二組3.2b 簡述剪力和鋼材應力-應變曲線強化對受彎截面的極限抗彎承載力的影響。剪力的影響：當構件受到剪力作用時，屈服準則為 (1)從公式(1)中我們可以看到當截面上存在剪應力時，至少

2、有一部分正應力還未達到時就已完全進入塑性。剪力的存在會加速塑性鉸的形成，降低受彎截面的極限抗彎承載力。鋼材應力-應變曲線強化的影響：圖1 鋼材應力應變曲線圖從圖1中我們可以看到，鋼材并不是理想的應力應變曲線，當鋼材達到屈服后，其在達到最大承載力之前，其強度仍然可以提高。因此按理想彈塑性模型考慮，截面所承受的彎矩將低于極限彎矩。考慮到鋼材強化階段，受彎截面的極限抗彎承載力將提高，在工程常用截面的范圍內，當截面上最大剪力不超過腹板截面的剪切屈服承載力，即，在板件不發生局部失穩的條件下，剪力對極限彎矩的影響并不大，可以不予考慮。第三組3.3d 什么是Merchant-Rankine破壞準則？如何應用

3、Merchant-Rankine破壞準則來修正一階剛塑性分析和一階彈塑性分析結果？由于結構的屈曲，結構在未達到塑性極限承載力時便會發生破壞，Merchant-Rankine就是用來預測此種情況下承載力的降低程度。剛塑性破壞荷載系數彈性臨界荷載系數修正破壞荷載系數荷載設計值一階剛塑性分析破壞荷載彈性臨界荷載（第一階屈曲模態）考慮效應后的修正破壞荷載當結構所施加的荷載等于極限狀態荷載時，必須不小于1.0。在上述公式中，應用Merchant-Rankine破壞準則檢驗結構的承載力是非簡單的，但是還要計算一系列的軸力，剪力和彎矩來驗算構件的穩定性。在規范EC3中，Merchant-Rankine破壞準

4、則被表示成一個系數，這個系數應用于塑性破壞機制中的力和彎矩，假設=1，EC3中的該系數的推導如下 l 當時，Merchant-Rankine破壞準則中通過引入系數作為每個塑性鉸形成時的荷載系數，從而用來修正一階彈塑性分析和一階剛塑性分析，即荷載系數=（一階分析中的荷載系數）應用該方法的具體步驟如下 (1)選擇初始界面。 (2)計算初始界面的屈曲臨界荷載。 (3)計算系數。 (4)根據Merchant-Rankine破壞準則，將截面的塑性承載力乘以 - 。 (5)利用第(4)步得到的塑性承載力對框架進行剛塑性。 (6)驗算第五步得到的破壞負載系數1.0。 (7) 1)系數放大所有內部彎矩和力（如

5、彎矩、剪力和軸力），運用由此產生 的內力來驗算構件的穩定性。 2)利用減掉的抗力來驗算第一階段的彎矩和力。第四組3.4b 塑性設計與彈性設計的基本區別？塑性設計有哪些方法、各自的適用范圍如何？彈性設計法：是以結構構件某一截面上的邊緣纖維應力達到屈服強度時的狀態，作為結構構件的承載力極限狀態。塑性設計法：是建立在充分利用鋼材所具有的塑性變形能力的基礎上。當作用在超靜定結構上的荷載達到一定數值時，構件中的某一截面全部進入塑性，此時荷載雖繼續增加，但在該截面上的內力矩并不增加，并在此力矩作用下使該截面轉動，即形成塑性鉸；結構因該截面的轉動，使結構內分布的內力進行重新調整（即內力重分配），直到整個結構

6、形成一定數量的塑性鉸，結構便轉化為不穩定狀態，即形成破壞機構，便達到塑性設計的承載力極限狀態，但在正常使用情況下，一般不可能到達此種狀態。塑性設計僅適用于不直接承受動力荷載的超靜定結構中。塑性設計方法大體上分為剛塑性分析和彈塑性分析兩種基本方法。剛塑性分析又包括：靜力法，機構法，彎矩平衡法1)靜力法：所謂的靜力法即是以以下限定理為基礎。尋求一個既滿足平衡條件、又符合全塑性彎矩條件（M<Mp)的彎矩圖。相應于這個彎矩圖的荷載，僅為結構塑性破壞荷載的下限。僅當彎矩達到Mp值（亦即形成塑性鉸）的截面數目，足以使結構變成機構時，這個荷載才是真正的塑性破壞荷載。 靜力法的適用范圍：超靜定次數較低的

7、梁和剛架。2)機構法:以上限定理為基礎，它的任務是：從所有可能的破壞機構中，選出相應于最小塑性極限荷載的一個機構，便是真正的破壞機構，這個最小塑性極限荷載即真正的塑性破壞荷載。作為校核，相應這個破壞機構的彎矩圖應處處不超過Mp。實用上為簡單起見，往往憑觀察判斷選取一個機構進行嘗試。給該機構一個虛位移，從外荷載所作外功應等于塑性鉸轉動所吸收的內功這一條件，計算相應于這個機構的荷載值。然后根據平衡條件，作出整個結構的彎矩圖，如處處滿足Mp的條件，則這個嘗試解即為真正的解。否則，另選機構重新進行嘗試。在實際設計中，外荷載是已知值，Mp是所要求的未知值。這時上限定理相當于：在所有可能的機構中，相應于最

8、大Mp值的機構是真正的破壞機構。3)彎矩平衡法:尋找一個與外荷載平衡的彎矩分布方案，構件的截面即按這種彎矩分布確定。事實上，可以找到許多個彎矩分布方案，其中每一個分布方案都可以跟外荷載平衡。在實際設計中，可以選用導致最小結構重量的方案，因為最小重量和經濟方案是密切相關的。彎矩平衡法的適用范圍：最宜用于設計單層或多層矩形框架。它和靜力法相似，但有效適用范圍更廣泛。彈塑性分析的基本方法理想彈塑性方法適用于荷載小增量的情況下，隨著荷載的增加，塑性鉸出現在結構中。理想彈塑性方法假定在達到My后，構件的變形為線彈性變形，之后彎矩很快達Mp，然后沒有經過受拉強化階段而直接表現出完全塑性。軟件應該能夠很容易

9、的預測出塑性鉸的形成，交替和消失，甚至是卸載和反轉。最終的機制是真正的破壞機理（假設塑性鉸的旋轉方向與彎矩有關）。最終的機制與最低負載因子的機制相同，最低負載因子的機制可以通過剛-塑性方法得到。理想彈塑性方法適用范圍：理想彈塑性方法適用于荷載小增量的情況下。第四章第一組4.1a多高層鋼結構框架梁柱剛性連接斷裂破壞的主要原因是什么？為防止框架梁柱連接脆性破壞可采取什么措施？如何評價這些措施？梁柱剛性連接具有足夠的剛度,能夠承受設計要求的彎矩,在達到承載能力之前,梁柱之間不發生相對轉動。梁柱剛性連接的構造一般有三種:(1)全焊連接:梁的上翼緣、下翼緣和腹板均與柱焊接;(2)栓焊混合連接:梁的上翼緣

10、和下翼緣用全熔透坡口焊,腹板采用高強度螺栓與柱相連;(3)全栓連接:梁的上翼緣、下翼緣和腹板均采用高強度螺栓與柱相連。在數次地震中,焊接連接框架都有不同程度的脆性破壞現象發生,而螺栓連接框架則很少發生破壞,因此目前的研究主要集中在焊接節點上。國內外學者經過研究發現，認為節點破壞的重要原因是節點本身存在的根本性缺陷，其中焊縫質量及梁翼緣坡口焊縫出現的超高應力，是解決和影響節點性能的主要因素。針對這些問題，目前的研究主要集中在兩個方面：一是減少節點區集中應力的大小，改善應力分布；二是根據“強柱弱梁”和“強節點、弱構件”的思路把梁截面破壞位置從節點處往外移，即在梁上合適的位置產生塑性鉸，以此來增大結

11、構的延性。具體措施有：1.改變焊接工藝，常用的做法是去掉焊接墊板，保證梁上下與柱焊接采用的墊板和柱翼緣之間充分焊透，減少應力集中，同時采取其它減少焊接缺陷的焊接工藝。2.采用焊接孔擴大型節點構造，這種節點構造可以不同程度的減少應力集中，同時通過較長的焊接孔，使節點破壞模式轉變為梁翼緣的局部屈曲，降低了對接焊縫發生脆性破壞的可能，對節點的延性有較大的改善作用。焊接孔擴大型節點構造3.利用控制塑性鉸位置來改善結構的延性。這種改進節點設計的主要思想就是在梁的上下翼緣靠近節點處進行截面削弱或在梁端局部局部加大截面。截面削弱是使得削弱截面處梁翼緣應力增大，先于節點達到塑性而形成塑性鉸，在梁端局部加大截面

12、做法是將一些輔助板件通過焊接連接于主體構件上，用于減輕梁翼緣對接焊縫處的受力，使塑性鉸的位置遠離梁柱連接節點。主要有以下幾種（1）“大骨式”節點，具體構造是對梁翼緣寬度削弱，即在梁上下翼緣或僅在下翼緣的每邊切去一圓弧、錐形或梯形等。（2）腹板帶長槽孔的節點，這類節點是在梁腹板上開槽，具體是在梁腹板靠近柱翼緣處沿梁翼緣軸線方向切上下兩條縫，它借助于切割的兩條縫來消除梁翼緣應力不均勻現象。（3）加腋梁法，這種方法是在梁的下翼緣位置加上腋梁，增大梁截面。（4）加立肋板和內肋板的連接，這種做法是在翼緣上焊接立板或內肋板來增大節點剛度。實際工程我們應該根據具體的問題，采取相應的措施，此外，好的設計要想取

13、得好的效果，必須加強施工的質量管理，嚴格執行質量管理條例。參考文獻1 王秀麗.多層鋼框架梁柱節點抗震性能研究D.哈爾濱:哈爾濱工業大學，20042 郭兵,郭彥林.焊接及螺栓連接鋼框架的循環加載試驗研究J.建筑結構學報，2006，27(2):48-533 王萬禎, 趙海宏.鋼框架梁柱剛性節點破壞機理分析J.工業建筑，2002，32(8):63-65第二組4.2a 鋼結構抗震性能有哪幾類延性指標？它們之間相互關系如何？延性和塑性的異同點？延性是指結構、構件或構件的某個截面從屈服開始到達最大承載能力或達到以后而承載力沒有顯著下降期間的變形能力。在抗震設計中，通過延性來耗散地震能量，從而保證結構的安全

14、。延性通常用延性系數來表示。在鋼結構抗震設計中，根據研究對象的不同延性指標可以分為三個層次，分別是材料延性，構件和連接的延性和結構延性。材料延性，在鋼結構中材料的延性一般就是指鋼材的延性。一般用表示它反映了材料發生屈服后，在承載力不降低的情況下繼續變形的能力，衡量了材料承受大的塑性變形的能力，通常該值越大，材料的延性越好，該值越低，材料延性越差，材料越脆。構件和連接的延性，反映了一個構件或者連接點在彈塑性階段，承載力不降低的情況下傳遞內力的能力。一般情況用表示，結構延性，反映了結構整體在屈服后保持承載力不變而繼續變形的能力。一般情況用表示，。鋼結構抗震性能里的這幾個延性指標，是相互區別又相互聯

15、系的，它們呈現出一種遞進的關系，鋼材是鋼構件的基礎，材料相同但制成的構件不同，構件的延性也會不一樣。同理構件是結構體系的基礎,但相同構件按不同的組合方式形成的不同的結構體系的受力形態卻有極大的差異。一般來說前一層次的延性會影響到后一層次的延性，即是說延性好的材料所對應的構件的延性也會比較好，構件和節點的延性好，則結構整體也會表現出相應的良好的延性，但這并不是絕對的，三個層次的延性大小一般為 ，即材料層次的延性最好，結構整體層次的延性最差。延性和塑性的異同點，相同點是它們都反映了一種變形能力，都包含有“塑性”的概念在內；不同點在于其概念上的不同，延性必須保證在塑性階段承載能力沒有明顯的下降，而塑

16、性只要求處于塑性階段即可。此外延性更多的是體現一種“相對變形”的能力，這由其計算表達式可知，而塑性是一種“絕對變形”的能力，主要體現在材料層次上，而延性主要體現宏觀層次上的結構整體的變形能力。參考文獻1 許紅勝.鋼結構交錯析架體系的抗震延性性能分析D.長沙：湖南大學，2003:1-202 郭士江，李振寶. 淺談結構的延性C. 第六屆全國現代結構工程學術研討會，北京，1262-1268第三組4.3c綜述屈曲約束支撐(無粘結支撐、防屈曲支撐)的特點、類型、設計要點以及國內外最新研究進展和工程應用現狀普通支撐受壓會產生屈曲現象，當支撐受壓屈曲后，剛度和承載力急劇降低。在地震或風的作用下，支撐的內力在

17、受壓普通支撐試驗滯回曲線和受拉兩種狀態下往復變化。當支撐由壓曲狀態逐漸變至受拉狀態時，支撐的內力以及剛度接近為零。因而普通支撐在反復荷載作用下滯回性能較差。為解決普通支撐受壓屈曲以及滯回性能差的問題，在支撐外部設置套管，約束支撐的受壓屈曲，構成屈曲約束支撐。 屈曲約束支撐一般由四個基本部分組成:軸力構件單元(支撐),屈曲約束單元,連接單元和隔離單元。軸力構件單元用來承受軸向荷載;屈曲約束單元環包在它的周圍以防止軸力單元的屈曲;連接單元在軸力構件單元的二端并且伸出屈曲約束單元,用來連接屈曲約束支撐和框架結構;隔離單元用以分離軸力構件和屈曲約束單元,一般是用脫粘接的材料。在某些類型的屈曲約束支撐中

18、,則在軸力構件和屈曲約束單元之間應該保留一定的空隙,以避免二者之間的相互作用。屈曲約束支撐的組成目前使用中和正在開發的屈曲約束支撐以約束單元的外形來分,主要可以分為兩大類:一種是由鋼管或混凝土約束的管式屈曲約束支撐;另一類是以墻板為約束單元的墻板式無屈曲約束支撐。屈曲約束支撐的分類與普通支撐相比，屈曲約束支撐具有如下優點：(1)承載力與剛度分離防屈曲支撐的最大優點是其自身的承載力與剛度的分離。普通支撐因需要考慮其自身的穩定性，使截面和支撐剛度過大，從而導致結構的剛度過大，這就間接地造成地震力過大，形成了不可避免的惡性循環。選用防屈曲支撐，即可避免此類現象，在不增加結構剛度的情況下滿足結構對于承

19、載力的要求。(2)延性與滯回性能好，屈曲約束支撐在彈性階段工作時，就如同普通支撐可為結構提供很大的抗側剛度，可用于抵抗小震以及風荷載的作用。屈曲約束支撐在彈塑性階段工作時，變形能力強、滯回性能好，就如同一個性能優良的耗能阻尼器，可用于結構抵御強烈地震作用。(3)保護主體結構，屈曲約束支撐具有明確的屈服承載力，在大震下可起到“保險絲”的作用，用于保護主體結構在大震下不屈服或者不嚴重破壞，并且大震后，經核查，可以方便地更換損壞的支撐。減小相鄰構件受力(4)當支撐為人字形或V字型布置時，由于普通支撐受壓屈曲，受拉與受壓承載力差異可能很大，而普通支撐的截面由受壓承載力控制，但支撐受拉時其內力最大可達到

20、受拉承載力，故與支撐相鄰構件的內力由支撐受拉承載力控制。如采用屈曲約束支撐，支撐受拉與受壓承載力差異很小，可大大減小與支撐相鄰構件的內力（包括基礎），減小構件截面尺寸，降低結構造價。屈曲約束支撐設計中，作為屈曲約束單元的外包混凝土除了應該滿足的剛度條件，還必須有一定的強度要求如果約束材料只滿足剛度條件而沒有滿足強度條件，一旦約束材料發生了強度的破壞，則就失去了對中心支撐的約束作用相反，如果約束材料只能滿足強度條件而不能滿足剛度條件，就不能有效地約束軸心支撐的屈曲因此，在設計屈曲約束支撐時，應該將屈曲約束單元的剛度和強度作為一對參數進行設計目前屈曲約束支撐的使用在日本高層鋼結構中很普遍,特別是在

21、阪神大地震以后,這種支撐作為阻尼器大量應用在工程中。除此之外屈曲約束支撐不僅可以用于新建結構,而且還可以用于已有結構的抗震加固和改造。1995年日本神戶地震以后,多個建筑的抗震加固選用的就是屈曲約束支撐。參考文獻1 謝強，趙亮.屈曲約束支撐的研究進展及其在結構抗震加固中的應用J. 地震工程與工程振動，2006，26(3)：100-1032 謝強，嚴承涌.屈曲約束支撐設計的剛度與強度準則J. 沈陽建筑大學學報，2009，25(1)：95-99第四組4.4c目前各國抗震規范中普遍采用“小震不壞、中震可修、大震不倒”設防水準，與之相適應的抗震設計存在哪些局限性？新興的基于性能的結構抗震設計有哪些主要

22、優點？進一步綜述基于性能的結構抗震設計的基本思想、基本步驟、結構性能水準和抗震設防水準、與之相適應的結構計算分析方法、現階段實際工程應用還存在的困難、國內外研究和實踐的進展。目前抗震設計的局限性：現行建筑結構抗震設計準則是小震不壞、中震可修 、大震不倒，即以滿足截面承載力要求保證小震不壞，由結構非線性反應計算進行變形條件的驗算從而實現大震不倒，以特定配筋增強截面及構件延性達到中震可修 。現行抗震規范的這種設計思想在建筑結構的設計實踐中遇到了很大的困難，首先是大震作用下建筑結構的變形驗算基本上沒有進行，原因是缺乏有說服力的結構非線性地震反應分析方法；其次是小震作用下建筑結構線性地震反應分析方法要么過于粗糙、簡單, 要么過于復雜、耗時, 有的甚至無法進行精確分析; 而現行的高層建筑結構的抗震構造措施過于強調提高截面構件的延性, 缺乏提高整體結構抗震性能的有效構造措施。基于性能的抗震設計是指根據一系列性能目標來確定設計準則的設計，性能目標可以通過任意反應參數指定的極限值來量化，結構在未來地震發生時能夠達到預期的性能目標，結構破損狀態及其造成的經濟損失、人員傷亡等可以控制在預期基于性能的抗震設計首先要確定結構的性能