钢筋混凝土塑性铰概要

一、钢筋混凝土塑性铰介绍2受弯构件中的受拉铰4塑性铰应用与研究1塑性铰概述3压弯构件中的受拉铰钢筋混凝土受弯、偏压等构件的全受力过程中钢筋屈服后，在荷载无明显增加的情况下，截面的变形可以急剧增大，称出现了“塑性铰”。概念提出一塑性铰概述钢筋混凝土塑性铰分为受拉铰和受压铰塑性铰分类一塑性铰概述受压铰（混凝土铰）---受压砼发生塑性变形受拉铰（钢筋铰）---受拉筋产生塑性变形二者耗能机理不同可以通过弯矩—塑性铰转角曲线看出。受拉铰和受压铰的适用及注意塑性铰分类受压铰受拉铰适用超筋梁受弯、小偏心受压受弯、大偏心受压注意增加箍筋抗震中尽可能出现受拉铰一塑性铰概述受拉铰形成与发展二受弯构件的受拉铰试验结果1受拉铰形成与发展试验结果1表明：1)一个小区段内钢筋达到流限，才能形成塑性铰并反应到M-θ图中，即受压砼和受拉筋的塑性变形分布在一个区域内；2)受压塑性区长度较短，受拉塑性区较长；3)光圆筋裂缝较少而集中，螺纹筋裂缝多而均匀；4)整个塑性区长度螺纹钢筋比光圆钢筋配筋的构件长。二受弯构件的受拉铰受拉铰形成与发展实际上钢筋会在一定长度上屈服，受压区砼的塑性变形也在一定区域内发展，而且混凝土和钢筋间的粘结作用也可能发生局部破坏。这些非弹性变形的集中发展，使结构的挠度和转角迅速增大。二受弯构件的受拉铰受拉铰形成与发展非弹性变形集中产生的区域理想化为集中于一个截面上的塑性铰，该区段的长度称为塑性铰长度lp。塑性铰形成于截面应力状态的第Ⅱa阶段，转动终止于第IIIa阶段，所产生的转角称为塑性铰的转角p。二受弯构件的受拉铰受拉铰形成与发展二受弯构件的受拉铰试验结果2受拉铰形成与发展试验结果2表明：钢筋屈服以前，梁任一截面曲率挠度都是“弹性”，塑性铰形成之后，梁所增加变形几乎全部来自塑性铰转动，变形是塑性的。二受弯构件的受拉铰受弯构件受拉塑性铰区长度塑性铰的两个主要参数：曲率ψ、塑性铰区长度lp二受弯构件的受拉铰''''3/2'2'0121()3xddsdvvdsvvdxx截面曲率：对于初等梁有：（）（则有处截面转角：）（）受弯构件受拉塑性铰区长度二受弯构件的受拉铰0.00.plpypypuypupdxlll塑性铰转角：式中，为塑性铰区实际长度为塑性铰区范围内（）（）任一截面曲率为拉筋屈服时截面屈服曲率简化：式中：为该截面的极限曲率为塑性铰计算长度问题：怎样求塑性铰区计算长度？受弯构件受拉塑性铰区长度二受弯构件的受拉铰简化模型1塑性铰计算长度受弯构件受拉塑性铰区长度二受弯构件的受拉铰简化模型2塑性铰区计算长度21-ypuMl=ZM（）受弯构件受拉塑性铰区长度二受弯构件的受拉铰塑性铰区计算长度作者lp备注A.L.Barker胡德炘（xin）a-构件弯曲段长度阪静雄fy、fc—钢筋的屈服强度和混凝土的轴心受压强度—截面配筋率2300h+ah02(1-0.5)yscfhfs0h塑性铰区计算长度二受弯构件的受拉铰试验结果塑性铰区计算长度试验结果分析：1)弯剪裂缝的影响（图a）2)跨中最大曲率扩展到lp0(图b)3)从lp0到lp的区间是从最大曲率过渡到屈服曲率的区段(图b)二受弯构件的受拉铰受弯构件受拉塑性铰区长度二受弯构件的受拉铰lp0试验分析lp0值试件V-1（光圆）V-2（螺纹）VI-1（光圆）VI-1（螺纹）0.2280.1860.3660.3560.7h01.03h00.6h00.96h0表中fb为混凝土弯曲时的抗压强度ysbffp0l压弯构件受拉铰形成和发展三压弯构件中的受拉铰问题的复杂性1）轴向力的存在2）斜向受力荷载角问题3）偏压构件接近等弯区解决：开槽钢筋贴应变片压弯构件受拉铰形成和发展三压弯构件中的受拉铰主轴向受力压弯构件试验结果压弯构件受拉铰形成和发展三压弯构件中的受拉铰试验结果表明：1）轴向力使受压塑性区增大，受拉塑性区减少；2）压弯构件中，当某一截面的钢筋达到屈服后，屈服区砼应变集中，随着钢筋屈服区增大，屈服渗透发展而形成塑性铰；3）钢筋屈服只在一个较短区域内集中。试件编号截面尺寸b×h(cm)轴压比N/N0荷载角α破坏荷载（kN）受拉塑性铰区长度lp(cm)按式（2.3）或（2.4）计算lp(cm)lp0PA-16-L116.6×15.90.0504521.622.21.02h0PA-16-L216.0×16.30.205619.420.11.36h0斜向受力压弯构件三压弯构件中的受拉铰试件编号截面尺寸b×h(cm)轴压比N/N0荷载角α破坏荷载（kN）受拉塑性铰区长度lp(cm)按式（2.3）或（2.4）计算lp(cm)lp0PAS-18-L118.4×18.50.0545°7435.833.70.93h0PAS-18-L218.2×18.00.1845°83.430.730.60.82h0PAS-18-L318.3×18.20.0530°7333.331.91.17h0PAS-18-L418.3×18.70.1830°81.530.731.30.54h0结论：1）随着轴压比增加lp减小2）随着荷载角α增加（0~45º），lp增加压弯构件受拉铰形成和发展三压弯构件中的受拉铰斜向受力压弯构件试验结果结论：1）随着轴压比增加lp减小2）随着荷载角α增加（0~45º），lp增加压弯构件受拉铰形成和发展三压弯构件中的受拉铰偏压构件试验结果压弯构件受拉铰形成和发展三压弯构件中的受拉铰偏压构件试验说明：1)接近于受弯构件等弯区2)钢筋应变在屈服前沿构件普遍增长3)某一截面钢筋先达到屈服后，以后的应变同受弯构件一样仍然高度集中。受拉铰仍只在一个短区域内形成和发展。压弯构件受拉铰形成和发展三压弯构件中的受拉铰小结：不论压弯或偏压构件，不论主轴或斜向受力，受拉塑性铰的形成和发展与受弯构件十分相似。因此一般多研究受弯构件的受拉铰。压弯构件受拉塑性铰区长度三压弯构件中的受拉铰0y210.5()/2NpsysycpsNlfuffhbhlhkufhk受弯构件：斜向受力压弯构件：式中：受压钢筋的配筋率及屈服强度-轴向力（1-）、、、如图四塑性铰法的应用与研究塑性铰的应用有限元抗震四塑性铰法的应用与研究1）在Δt步长内，计算结构每一构件两端的弯矩增量ΔMi、ΔMj，2）判别每一构件两端弯矩与极限弯矩的关系；3）调整每一构件单元刚度矩阵，形成新的总刚度矩阵；4a）当杆两端均未形成塑性铰时，仍用弹性单元刚阵；4b）当单元的i端出现塑性铰时，用i端为铰、j端为固结的单元刚度矩阵，反之亦然；4c）当单元的i和j端弯矩都出现塑性铰时，对后期荷载用i和j都为铰的单元刚度矩阵。有限元中塑性铰法基本思路四塑性铰法的应用与研究有限元中塑性铰法的优缺点塑性铰法可以方便地模拟结构在不断增加的荷载作用下相继出现塑性铰，以至成为机构而破坏的过程，适用于极限荷载计算。优点四塑性铰法的应用与研究有限元中塑性铰法的优缺点1）在加载过程中塑性铰中的弯矩发生卸载，则塑性铰可能消失。2）杆结构单元分析中形成塑性铰后，需要在形成塑性铰处增加节点，形成主从节点。3）分析结构极限荷载之前，需要知道各不同杆件在不同轴力作用下的屈服弯矩，即弯矩-轴力相互作用关系。缺点四塑性铰法的应用与研究有限元中塑性铰法流程图四塑性铰法的应用与研究桥梁抗震中塑性铰的应用采用能力设计方法进行延性抗震设计，目前已经被各国的规范所接受。能力设计方法：在结构体系中的延性构件和能力保护构件之间建立强度安全等级的差异，以确保结构不会发生脆性破坏模式。能力设计方法中塑性铰出现的位置预先选择，出现在预定的构件部位。四塑性铰法的应用与研究桥梁抗震中塑性铰的应用延性抗震体系，主要通过选择合适的弹塑性变形、耗能部位、延长结构周期、耗散地震能量，从而减小地震反应。钢筋混凝土墩柱桥梁，抗震设计时，墩柱宜作为延性构件设计。桥梁基础、盖梁、梁体和结点宜作为能力保护构件。墩柱的抗剪强度宜按能力保护原则设计。四塑性铰法的应用与研究桥梁抗震中塑性铰的应用沿顺桥向，连续梁、简支梁桥墩柱的底部区域，连续刚构桥墩柱的端部区域为塑性铰区域；沿横桥向，单柱墩的底部区域、双柱墩或多柱墩的端部区域为塑性铰区域。四塑性铰法的应用与研究桥梁抗震中塑性铰的应用四塑性铰法的应用与研究桥梁抗震中塑性铰的应用如前所述，一个重要的问题仍然是求解等效塑性铰的长度,虽然可以采用积分计算，但由于实际的曲率分布函数难以确定，理论计算结果与试验测量结果往往不吻合。应用中，多以试验得到的经验公式来估计。四塑性铰法的应用与研究桥梁抗震中塑性铰的应用公式来源注释lp=0.5h+0.05l新西兰规范l、p分别为墩高和截面高度lp=0.08l+0.022dsfy或lp=（0.4~0.6）hEurocode8ds、fy分别为纵筋直径和屈服应力lp=0.08l+9dblAASHTO规范dbl为纵筋直径四塑性铰法的应用与研究塑性铰研究现状受弯构件压弯构件四塑性铰法的应用与研究塑性铰研究现状受弯构件参数敏感性分析其他构件或部位塑性铰研究。（UPC梁、波纹钢腹板梁、PC连梁负弯矩区…）受弯构件塑性铰经验公式123四塑性铰法的应用与研究塑性铰研究现状偏心受压侧向位移的影响分析其他研究。（FRP约束混凝土柱、高性能砼…）压弯构件（墩柱）塑性铰经验公式123压弯构件