1、鋼結構的塑性設計 第1頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三1.塑性設計的基本介紹1.1 塑性設計的發展1.2 塑性設計的優點第2頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三1.塑性設計的發展 1914年匈牙利建立了世界上第一座塑性設計的建筑物，隨后英、加、美等國均在本國建立了塑性設計的工程。英國在1948年第一個把塑性設計方法引進了BSS499規范。隨后，以英國和美國為中心，迅速地普及塑性設計。現已公認，塑性設計簡單、合理，而且可以節約鋼材，所以英國和荷蘭的低層建筑幾乎全部采用塑性設計，美國和加拿大的大部分低層建筑也應用塑性設計。我國1988年的鋼結構設計規范（

2、GBJ17-88）開始列入塑性設計，新修訂的GB50017規范又進行了局部修改。第3頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三1.塑性設計的基本介紹1.1 塑性設計的發展1.2 塑性設計的優點第4頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三1.2 塑性設計的優點鋼材具有良好的延性，在保證結構構件不喪失局部穩定和側向穩定的情況下，可以在超靜定結構中的若干部位形成具有充分轉動能力的塑性鉸，引起結構內力的重分配（redistribution of internal forces），從而發揮結構各部分的潛能。這種以整個結構的極限承載力作為結構極限狀態的塑性設計（plastic

3、 design）方法具有如下的優點： 第5頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三（1）與通常的彈性設計方法相比，可以節約鋼材（1015）和降低造價；（2）對整個結構的安全度有更直觀的估計。通常的彈性設計方法在彈性范圍內可以給出精確的內力和位移，但給不出整個結構的極限承載能力；（3）對連續梁和低層框架的內力分析較彈性方法簡便。第6頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三鋼結構的塑性設計1.塑性設計的基本介紹2.塑性設計的基本假定及使用條件3.塑性設計中的穩定性問題4.塑性設計中節點設計第7頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三2.塑性設計的基本

4、假定及使用條件2.1 鋼結構塑性設計的基本原理及基本假定2.2 塑性設計的適用條件2.3 塑性設計中材料的應變硬化性能的重要性第8頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三2.1鋼結構塑性設計的基本原理結構的塑性設計就是考慮一定數目的截面形成了塑性鉸，使結構（整體或局部）變為機構而破壞，以此作為承載力極限狀態進行設計。即首先要確定結構破壞時所能承擔的荷載極限荷載，然后將極限荷載除以荷載系數得出容許荷載，并以此為依據進行設計。為了確定極限荷載，必須考慮材料的塑形變形，進行結構的極限分析（或塑性分析）。所謂極限分析就是對結構變成機構前的變形不考慮，避開破壞前的全部分析，直接計算極限荷

5、載。第9頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三極限分析的假定極限分析的假定包括： 1 材料為理想的彈塑體 第10頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三極限分析的假定2 理想截面，即假定塑形區只集中在一個截面上3 比例加載第11頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三2.塑性設計的基本假定及使用條件2.1 鋼結構塑性設計的基本原理及基本假定2.2 塑性設計的適用條件2.3 塑性設計中材料的應變硬化性能的重要性第12頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三2.2鋼結構塑性設計的適用條件塑性設計適用于不直接承受動力荷載的固端梁、連續

6、梁以及由實腹構件組成的單層和兩層框架結構 。 采用塑性設計的結構或構件按承載力極限狀態進行設計時，應采用荷載的設計值，考慮構件截面內塑性的發展以及由此而引起的內力重分布，采用簡單塑性理論進行內力分析。按正常使用極限狀態設計時，采用荷載的標準值，并按彈性理論進行計算。第13頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三2.塑性設計的基本假定及使用條件2.1 鋼結構塑性設計的基本原理及基本假定2.2 塑性設計的適用條件2.3 塑性設計中材料的應變硬化性能的重要性第14頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三2.3塑性設計中材料的應變硬化性能的重要性采用塑性設計法進行設計的

7、主要原因之一是可以避免繁瑣的計算，原因之二是彈性設計過于保守。在塑性設計中，為了計算上的方便，引入了材料理想彈塑形的假定。這一假定當然是合理的，但有時可能會造成對材料的應變硬化性能的忽視；另外，塑性設計強調材料抵御變形的能力，因此用于塑性設計的材料必須具有足夠變形的能力，以滿足結構形成機構而達到承載力極限狀態的要求。從這一點來看，具有明顯屈服平臺的材料，如軟鋼是用于塑性設計的理想材料。值得注意的是，在強調材料延性的同時，還要重視對材料應變硬化性能的要求。第15頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三無應變硬化性能的材料不適用塑形設計在塑性設計中，計算構件的塑性鉸彎矩Mp時，一般

8、將具有明顯屈服臺階的材料看作理想彈塑性體，即忽略材料應變硬化階段。這樣處理主要是為了使得計算簡化，算得的承載力和實際相差不大，并偏于安全。但是這種簡單化并不意味著所用的材料可以不具有應變硬化性能。恰恰相反 ，材料必須具有一定的應變硬化工作階段才有可能達到形成機構的極限狀態。 第16頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三例：受均布荷載q的固端梁第17頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三第18頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三極限分析的理想截面假定認為，塑性鉸間的桿件是彈性的，這樣 可根據虛功原理，由圖b和圖c來確定：第19頁，共39頁，

9、2022年，5月20日，23點9分，星期三如果材料是理想彈塑體，則只有曲率無限大時才能出現這一轉動，dx=0，K必然趨于無窮大，但事實上這是不可能的。因此，機構也就無法實現。理想彈塑體的梁最大荷載達不到塑性設計的極限荷載，這樣就會導致塑形設計的失敗。第20頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三具有應變硬化性能的材料截面的彎矩不僅可以達到Mp，還有可能超過這一值。這樣，在梁端會出現一個短的塑性區，即dx0，曲率成為了有限值，機構也就有可能實現了。當梁的材料具有應變硬化性能時，它的最大荷載能達到極限荷載并且還能超過這個值，塑形設計得以實現。第21頁，共39頁，2022年，5月20

10、日，23點9分，星期三2.3.2 應變硬化性能過弱的材料也不適用于塑性設計用鋁合金連續梁的實驗表明：不僅缺少應變硬化性能的材料不適合用于塑形設計，硬化程度很弱的材料同樣不適用。工字形截面，材料沒有明顯屈服點，以殘余變形0.2%確定屈服應力fy=269MPa,極限強度fu=298MPa,二者比值僅僅是1.1 第22頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三試驗結果：B、C兩截面的彎矩均達Mp,但D截面彎矩約達Mp/2時，C處受拉翼緣就被拉斷致使梁喪失承載力。（試驗過程中采用了防止翼緣局部屈曲的特殊措施）D截面彎矩沒有達到塑性設計的塑性彎矩Mp，梁的彎矩重分布不完全，也就沒有達到塑形

11、設計中形成機構的極限狀態。第23頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三適用于鋼結構塑性設計的鋼材規范規定按塑性設計的鋼結構，其鋼材必須滿足三個條件： 強屈比fu/fy1.2；伸長率515；相應于fu的應變u不小于20倍的屈服點應變y。第24頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三鋼結構的塑性設計1.塑性設計的基本介紹2.塑性設計的基本假定及使用條件3.塑性設計中的穩定性問題4.塑性設計中節點設計第25頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三3.塑性設計中的穩定性問題3.1 防止局部屈曲防止板件在結構成為機構之前局部屈曲需要對它的寬厚比嚴格控制3

12、.2 防止彎扭屈曲防止構件在成為機構前彎扭屈曲要靠適當布置側向支撐（可用限制側向長細比y作為保證梁段在塑性鉸處的轉動能力的一項措施 ）構造要求第26頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三鋼結構的塑性設計1.塑性設計的基本介紹2.塑性設計的基本假定及使用條件3.塑性設計中的穩定性問題4.塑性設計中節點設計第27頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三4 塑性設計中的節點設計4.1 全部采用螺栓連接4.2 螺栓和焊縫混合連接4.3 短梁過渡連接第28頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三4.1 全部采用螺栓連接 a b第29頁，共39頁，2022

13、年，5月20日，23點9分，星期三4.2 螺栓和焊縫混合連接4.3 短梁過渡連接 d第30頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三由于剪切變形會引起剛架的梁柱端剛度的退化，所以必須采取措施加強節點域的剛度。（a）采用小板對柱翼緣加強（b）加設斜向加勁肋（c）在腹板兩側焊上板來加厚，從而保證鋼結構塑形充分發展和內力重分布第31頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三謝謝第32頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三簡單塑性理論鋼結構的簡單塑性理論是指：假定鋼材為理想彈塑形體，采用一階理論分析，不考慮二階效應；保證在形成機構前不發生側扭屈曲破壞，其組

14、成板件不發生局部屈曲破壞；荷載按比例增加，內力計算時考慮產生塑性鉸而使結構轉化為破壞機構體系。用簡單塑性理論進行框架分析是不考慮二階效應的。按塑性分析的結構，變形較大，結構剛度也有所降低，二階效應必然比彈性分析要大；如果再加上殘余應力、初彎曲、初偏心等初始缺陷的影響，承載力會進一步降低。對于一般的連續梁、單層和兩層框架，鋼材硬化的有利影響可以抵消二階效應對承載力的不利影響；如果設計者掌握了二階理論的分析和設計方法，并有足夠的依據時，也不排除在兩層以上的框架設計中采用塑性設計 。第33頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三第34頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，

15、星期三 對x軸的塑性毛截面模量； 彎矩作用平面外的長細比， ， 為側向支承點間距離， 為截面回轉半徑；M1與塑性鉸相距為 的側向支承點處的彎矩，當長度 內為同向曲率時 為正，反之為負。 第35頁，共39頁，2022年，5月20日，23點9分，星期三除防止側向彎扭屈曲的要求之外，塑性設計的結構尚應考慮下述構造要求：(1) 為避免引起過大的二階效應，受壓構件的長細比不宜大于 。這比彈性設計的稍嚴。(2) 所有節點及其連接應有足夠的剛度，以保證節點處各構件間的夾角保持不變。為達此目的，采用螺栓的安裝接頭應避開梁和柱的交接線，或者采用加腋等擴大式接頭。構件拼接和構件間的連接應能傳遞該處最大彎矩設計值的1.1倍，且不得低于 ，以便使節點強度稍有余量，減少在連接處產生永久變形的可能性。(3) 為了保證在出現塑性鉸處有足夠的塑性轉動能力，