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1、摘要浙江大学硕士学位论文2 0 0 7压弯构件的延性研究摘要结构体系的延性对于建筑物的抗震性能有着至关重要的意义，通常采用延性系数来表示这一特性。延性的概念一般可以分为材料、截面、构件三个层次，即材料的延性主要表现在材料的。一e 曲线方面，截面的延性主要体现在截面的Mo 曲线方面，构件的延性主要表现在构件的p - - A 曲线( 或M e 曲线) 方面。此外，延性概念还涉及到节点延性和结构整体延性的层次，这两者的延性性能与构件的延性既有一定的关联，又有一定的区别。而且，构件延性需要考虑的影响因素包含了材料延性、截面延性所考虑的因素。因此，研究构件的延性显得非常有意义。本文主要研究的是悬臂压弯构
2、件( 悬臂柱) 在顶端处承受轴力和集中水平荷载时的延性性能，研究主要从三个方面进行。首先，通过A n s y s 建模与参数设置，对三种自选截面( I 1 0 0 1 0 0 XI O Xl O 、I 1 0 0 XI O O X1 5 X1 5 、I 1 0 0 XI O O X 2 0 2 0 ) 和三种常用截面( I 姗2 5 0 X 2 5 0 X 9 X 1 4 、H W 3 0 0 X 3 0 0 X l O X l 5 、F f f 4 0 0 X 4 0 01 3 X 2 1 ) 柱进行了大量的计算分析，得到了各种截面柱在不同轴压比和长细比下的F - u 曲线图，并根据延性系数
3、的定义，计算出各种情况下悬臂柱的延性系数，从而我们可以清晰地了解其延性性能。根据所得延性系数，本文提出了悬臂柱的延性分类公式，并对其进行了分类，即延性系数玎5 ，延性性能良好；延性系数玎2 1 。G D eM a t t e i s ，R L a n d o l f o ，M M a n g a n i e l I o 和E M M a z z o l a n i ( 2 0 0 4 ) 应用有限元程序A B A Q U S 对工形铝梁进行了大量的数值分析，其中考虑了影响铝梁塑性性能的几何参数和力学参数，并将所得结果与试验结果进行了比较。研究结果表明，除了受压构件的局部柔度( 宽厚比或高厚比)
4、 之外，材料的硬化在影响构件的极限弯矩和转动能力方面起着重要的作用。其他参数，如翼缘柔度与腹板柔度之比，弯矩梯度，腹扳柔度( 高厚比) 以及截面宽高比，对铝梁塑性性能( 强度和变形能力) 的影响是次要的，尽管它们也是不可忽略的。通过对两种不同钢材的分析结果表明，欧洲规范中有关铝结构截面分类有待改进，并且提出了更加精确的分类界限。G G r e s c h i k ，D W W h i t e ，W M c g u i r e 和J F A b e l ( 1 9 9 3 ) 采用非线性壳单元，通过建立数值模型来分析计算宽翼缘钢梁，所得结果与试验数据进行了比较，总体上来说，结果符合较好。在建立数
5、值模型时，文章具体分析了影响实验数据和数值分析结果在塑性稳定方面一致性的各种因素，包括残余应力的大小和分布；缺陷敏感性；钢材的水平屈服段和应变硬化情况；对不同钢材屈服强度的敏感性。研究结果表明，残余应力的大小和分布对钢梁转动变形能力几乎没有影响；缺陷敏感性、钢材的水平屈服段情况对转动变形能力也只有很轻微的影响；不同钢材7第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 7屈服应力的变化对转动能力的影响也不是很大，但是试验中对试验构件屈服应力的测量错误则导致了转动能力的很大变化。J D a r i oA r i s t i z a b a l O c h o a ( 1 9 8 6 ) 对单、高层钢框架
6、结构中的一项新的、实用的侧向支撑技术进行了研究。这种支撑被称为D K B ( D i s p o s a b l eK n e eB r a c i n g ) ，它由两部分组成，短梁( 原文中的k n e ee l e m e n t ) 和对角支撑( 原文中的d i a g o n a lb r a c ee l e m e n t ) 。其中短梁好比是保险构件，当建筑结构遭受严重的侧向力时，短梁就会在两端和跨中形成塑性铰，从而吸收能量，而对角支撑只是提供必要的侧向刚度，在整个过程中都保持弹性状态。一旦短梁的能量吸收能力耗尽时，它是可以更换的，所以D K B 是一种很好的支撑体系，比传统支
7、撑和偏心支撑更加优越，更能发挥结构的延性性能。M a s s o o dM o f i d 和M e h r d a dL o t f o l l a h i ( 2 0 0 6 ) 介绍了一种新的结构侧向支撑体系C K B ( C h e v r o nK n e eB r a c i n g ) ，它是由短梁和对角支撑组成的。其中短梁起到保险作用，通过形成塑性铰来吸收能量，而对角支撑只提供必要的侧向刚度。文献分析了短梁和对角支撑之间在不同夹角关系下的非线性性能，以使该种支撑体系达到最优化形式。紧接着，M e h r d a dL o t f o l l a h i 和M a s s o o
8、 dM o f i d ( 2 0 0 6 ) 基于已经建立的C K B 优化形式，提出了确定该种结构支撑体系非线性性能的近似计算方法。该种方法把一个复杂的问题转化为一种新型实用的图表设计法，大致分为两步：确定支撑体系的优化形式和使用相应的图表来研究支撑体系的动力响应。最后，还把该近似计算方法所得的结果与精确的有限元模型或实验结果进行了比较，结果符合较好。在高层大跨结构体系中，柱子是重要的结构构件，柱的数量比一般结构少，每根柱承受的荷载面积比一般结构要大，一旦柱子在强震作用下失效，将引起比一般建筑中柱子失效更为严重的后果。为加强柱子的安全度，使柱在强震作用下尽量不产生倒塌、剪切等脆性破坏，有必
9、要提高柱子的延性。吴京等( 1 9 9 8 ) 通过对半开缝素混凝土连接键短柱的试验，研究了提高高层大跨结构中柱子延性的方法，并提出了控制手段和设计建议。从试验上看，采用结构控制的方法不降低柱的抗剪强度和初期刚度，提高了柱子在后期的结构延性，即使在柱子发生较大的侧向位移情况下，柱子的承载能力也不会大幅度下降，从而使带短柱的结构实现了大震不倒的功能。8第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 7钢材具有良好的塑性，因而钢结构一直被认为是抗震性能最可靠的结构形式之一，但是相继发生在美国N o r t h r i g e 和日本K o b e 的地震表明，建筑物梁柱节点出现不同程度的脆性破坏。原因为
10、高层钢结构抗震设计主要是利用钢材的塑性变形能力消耗地震能量，但节点的脆性破坏改变了钢结构在地震作用下的破坏模式，使其无法在合适的位置形成塑性铰，发展塑性变形。因此，钢框架梁柱节点的抗震性能研究受到了国内外结构工程界的广泛重视。目前，改善节点抗震性能的途径主要集中在两个方面：一是改善节点区的应力分布，减小应力集中；二是根据强柱弱梁的原则使破坏位置从节点处往外移，在梁上合适的位置形成塑性铰，可以采取加强节点的方法或在梁上适合于塑性铰出现的位置进行局部削弱的方法。王秀丽等( 2 0 0 4 ) 根据钢框架强柱弱梁的抗震设计原则，按照有效控制梁上塑性铰位置的思路，采用在梁腹板上进行开孔削弱的节点形式，
11、通过开孔位置与大小控制节点处的塑性铰形成位置，同时进行了反复荷载历程下的5 组试件破坏试验，探讨了梁柱节点的滞回性能、节点破坏模式及其极限承载力，并将削弱位置和尺寸不同的4 种节点构造形式与传统的梁柱节点进行对比分析。研究结果表明，采用腹板开孔的构造形式，可以大大缓解节点处的高三轴应力状态，使节点的破坏模式从脆性破坏转变为梁的局部屈曲破坏，降低连接焊缝发生脆性破坏的可能性，可很大程度上改善节点延性性能。郭震等( 2 0 0 3 ) 通过通用有限元软件A N S Y S 对钢结构梁柱节点进行非线性数值模拟分析，分析比较了构件的长细比、翼缘宽厚比及腹板高厚比对节点承载力及延性的影响，并提出适用于多
12、层住宅钢结构的节点型式和构件长细比、翼缘宽厚比及腹板高厚比的取值范围。高层建筑中的结构墙( 剪力墙) 是一个非常重要的抗震构件，已越来越多地被广大工程界所重视。作为一个抗震结构，要使它能很好的抵抗地震运动，设计中必须在强度、刚度和延性3 个主要方面满足要求，以实现“小震不坏，大震不倒”的抗震设计准则。建筑结构中广泛使用结构墙作为主要结构构件，主要是由于它对水平荷载以及垂直荷载具有很大的承载能力，并具有足够的刚度，可以防止非结构构件和装饰物的破坏。但其延性如何? 设计中如何考虑延性设计，这都是一直被重视和研究的问题。滕家禄等( 1 9 8 9 ) 通过分析墙的配筋率变化和端筋、分布筋的比值讨论对
13、钢筋混凝土剪力墙延性的影响，并且用高剪跨比的有边框剪力墙和暗梁暗柱剪力墙，在独立悬臂条件下的试验结果分析说明延性设计的问题。9第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 7王崇昌等( 1 9 9 1 ) 根据钢筋混凝土弹塑性抗震结构的机构控制理论，认为改善钢筋混凝土框支剪力墙结构抗震性能的关键在于发挥上部墙体的耗能作用，调整结构沿高度的刚度分布。为此，特将托墙梁高度降低( 而不是加大) ，将与托墙梁毗连的墙体局部削弱，并在连系梁两端及柱根部设置人工塑性铰。通过理论分析与四榀模型对比试验，证明机构控制理论对于钢筋混凝土框支剪力墙的适用性，并提出最佳耗能机构及其实施条件，按此设计的结构具有良好的延性
14、。1 2 2 延性系数的确定结构体系( 或材料) 的延性对于建筑物的抗震性有着至关重要的意义，通常采用延性系数来表示这一特性。延性系数一一结构体系( 或材料) 允许的最大弹塑性变形A m a x 与屈服变形Y 之比，如图1 6 所示，表达式如下一2 等P0j 一 图1 6 延性系数概念除了上述的位移延性系数，针对所研究的情况，延性系数还可以分为曲率延性系数、转角延性系数和能量延性系数，表达式分别如下= 考舻岳舻苦对于构件而言，曲率是对应于截面变形，转角一般是针对构件局部，如塑性铰区段，挠度( 位移) 是针对整个构件。能量延性系数为极限变形能( 荷载一变形曲线下的总面积) 与屈服时的变形能( 屈
15、服点前的荷载一变形曲线下的面积)之比，它不仅能反映构件的变形储备还能反映承载力储备。但是对于某些结构体系( 或材料) ，又如图1 7 所示，在这种情况下，没有明显的屈服点AY ( 或中，o ，E ，) ，故延性系数不好确定，针对以上情况，不1 0第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 7少学者提出了多种方法确定Y ( 或中，本，小新沼夫) ；哈尔滨工程力学所法：线法。0 ，E ，) 。例如；概略屈服弯矩法( 日北京建筑设计院法；条件屈服法；双直，。一，矗图1 7 结构体系概念其中双直线法从结构吸收的能量相等及双直线与试验曲线偏离值之和为最小两个条件出发，从众多直线中选取两条来代替试验曲线，概
16、念明确，数学推理严格，在理论上有可取之处，对于延性较大的结构( 或材料) ，与实例中观察现象比较吻合。如图1 8 所示。A图1 8 理论与实际曲线比较( 延性较大材料)图1 8 中的替代直线满足以下两个条件：1 ) 要求外力对结构所做的功保持不变，即实际曲线所围的面积和双直线与轴所围的面积相等；2 ) 选择的双直线应是满足条件l 的无数双直线中最接近实际曲线的，即( S 。+ S ：+ s 。) 为最小。对于延性较小的结构( 或高脆性材料，如高碳钢等) ，这种方法求得的结果就值得三思，如图1 9 所示，具体原因可以参考文献 1 9 ，这也正是双直线法局限性的根本原因。第一章绪论浙江大学硕士学位论文2 0 0 7A一图1 。9 理论与实际曲线比较( 延性较小材料)为了更好地表现小延性、高脆性结构体系( 或材料) 的延性系数，使之与延性较大的结构体系( 或材料) 形成鲜明的对比，徐绩青( 2 0 0 4 ) 提出了。模拟屈服过程法”。首先，这一方法将不同延性结构体系( 或材料) 的计算统一起来；其次
