《高等钢结构原理》塑性设计与抗震性能2

《高等钢结构原理》塑性设计与抗震性能部分作业第1页目录第3章习题.........................................................................................33.1塑性设计与弹性设计的基本区别？塑性设计有哪些方法、各自的适用范围如何？.................................................................................31.塑性设计与弹性设计基本区别....................................32.塑性设计方法及适用范围........................................33.应用实例.......................................................43.3为了满足塑性设计的要求，国内外钢结构相关规范(GB50017,EC3,BS5950)如何进行构件截面分类？哪类截面适用于塑性设计？...........................................................................................141.EC3规定.....................................................142.BS5950规定...................................................153.GB50017规定.................................................163.6门式刚架、钢框架结构考虑塑性的极限承载力分析有哪几类方法？各有何特点？...................................................................................171.门式刚架考虑塑性的极限承载力分析方法.........................172.钢框架结构考虑塑性的极限承载力分析方法.......................183.7钢框架结构塑性分析需要考虑哪些初始缺陷？设计中可选用哪些等效方法和修正分析结果的方法？.................................................211.需要考虑的初始缺陷...........................................212.等效方法......................................................213.用Merchant-Rankine破坏准则修正一阶分析结果..................23《高等钢结构原理》塑性设计与抗震性能部分作业第2页第4章抗震性能...............................................................................244.1多高层钢结构框架梁柱刚性连接断裂破坏的主要原因是什么？为防止框架梁柱连接脆性破坏可采取什么措施？...............................241.梁柱刚性连接断裂破坏原因.....................................242.防止梁柱刚接连接脆性破坏的途径...............................254.5适用于钢构件、钢节点、钢连接的几种滞回模型和损伤指数综述。..........................................................................................................271.滞回模型......................................................272.损伤指数综述..................................................284.7偏心支撑钢框架的有哪些类型？耗能机理如何？抗震设计要点和应注意的问题？国内外工程应用实例？.............................................................301.偏心支撑分类..................................................302.耗能机理......................................................303.抗震设计要点和应注意的问题...................................324.工程实例......................................................354.8你了解哪些减震装置、减震构造和减震结构体系？请说明其特点、减震机理、应用实例和应用前景。.................................................361.减震结构体系概述.............................................362.结构隔震设计..................................................383.结构消能减震..................................................404.工程实例......................................................42《高等钢结构原理》塑性设计与抗震性能部分作业第3页第3章塑性设计3.1塑性设计与弹性设计的基本区别？塑性设计有哪些方法、各自的适用范围如何？1.塑性设计与弹性设计基本区别塑性设计建立在充分利用钢材所具有的塑性变形能力的基础上。当作用在超静定结构上的荷载达到一定数值时，构件中的某一截面全部进入塑性，此时荷载虽继续增加，但在该截面上的内力矩并不增加，并在此力矩作用下使该截面转动，即形成塑性铰；结构因该截面的转动，使结构内分布的内力进行重新调整（即内力重分配），直到整个结构形成一定数量的塑性铰，结构便转化为不稳定状态，即形成破坏机构，便达到塑性设计的承载力极限状态，但在正常使用情况下，一般不可能到达此种状态。弹性设计是以结构构件某一截面上的边缘纤维应力达到屈服强度时的状态，作为结构构件的承载力极限状态。弹性设计可以应用于直接承受动力荷载的超静定结构，而塑性设计不可以。2.塑性设计方法及适用范围2.1静力法以下限定理为基础。寻求一个既满足平衡条件、又符合全塑性弯矩条件（MMp)的弯矩图。相应于这个弯矩图的荷载，仅为结构塑性破坏荷载的下限。仅当弯矩达到Mp值（亦即形成塑性铰）的截面数目，足以使结构变成机构时，这个荷载才是真正的塑性破坏荷载。静力法的适用范围：超静定次数较低的梁和刚架。2.2机构法以上限定理为基础。从所有可能的破坏机构中，选出相应于最小塑性极限荷载的一个机构，便是真正的破坏机构，这个最小塑性极限荷载即真正的塑性破坏荷载。作为校核，相应这个破坏机构的弯矩图处处不超过Mp。在实际设计中，外荷载是已知值，Mp是所要求的未知值。这时上限定理相《高等钢结构原理》塑性设计与抗震性能部分作业第4页当于：在所有可能的机构中，相应于最大Mp值的机构是真正的破坏机构。2.3弯矩平衡法寻找一个与外荷载平衡的弯矩分布方案，构件的截面即按这种弯矩分布确定。事实上，可以找到许多个弯矩分布方案，其中每一个分布方案都可以跟外荷载平衡。在实际设计中，可以选用导致最小结构重量的方案，因为最小重量和经济方案是密切相关的。弯矩平衡法的适用范围：最宜用于设计单层或多层矩形框架。它和静力法相似，但有效适用范围更广泛。3.应用实例下面是我做的一个分别应用弹性设计和塑性设计方法完成的网壳整体稳定分析的实例。3.1电算模型选用凯威特型球面网壳，沿球面径向将杆件分为24段，最内侧的圆环8等分，跨度70m，矢跨比f/L=1/4。杆件材料Q235B，截面均取圆钢管127.04.0，网壳节点刚接，周边边界点为支座节点，且为固定铰支座，如下图所示。《高等钢结构原理》塑性设计与抗震性能部分作业第5页满跨均布恒载(q)：结构自重(杆件部分)+屋面(0.3kN/m2)半跨均布活载(p)：p=0.5kN/m2荷载组合：1.0恒+1.0活对于弹性稳定分析和弹塑性稳定分析分别采用理想弹性材料模型和二折线理想弹塑性模型，钢材的屈服强度为2.35×102N/mm2，弹性模量E=2.06×105N/mm2，泊松比v=0.3，屈服准则采用VonMises屈服准则。3.2弹性设计（带缺陷结构大位移弹性整体稳定分析）3.2.1分析方法在实际网壳结构中，不可避免地具有各种初始缺陷，包括曲面形状的安装偏差、杆件的初弯曲、杆件对结点的初偏心等各种原因引起的初应力（缺陷），这种缺陷会导致实际结构的极限承载力下降，因此在对大跨空间钢结构进行几何非线性分析时，应考虑初始几何缺陷的影响，即采用一致缺陷模态法将结构的最低阶屈曲模态作为初始缺陷分布模态，对结构进行稳定性能分析。3.2.2确定缺陷的模式及幅值屈曲模态是临界点处的结构位移趋势，也就是结构屈曲时的位移增量模式。结构的最低阶临界点所对应的屈曲模态为结构的最低阶届曲模态，结构按该模态变形将处于势能最小状态，所以对于实际结构来说，在加载的最初阶段即有沿着该模态变形的趋势。可以想到，如果结构的缺陷分布形式恰好与最低阶屈曲模态相吻合，这无疑将对其受力性能产生最不利影响。一致缺陷模态法就是用最低阶屈曲模态来模拟结构的初始缺陷分布进行稳定性分析，得到的临界荷载即可以作为实际结构的临界荷载。《高等钢结构原理》塑性设计与抗震性能部分作业第6页根据《网壳结构技术规程》规定：进行网壳全过程分析时应考虑初始曲面形状的安装偏差的影响；可采用结构的最低阶屈曲模态作为初始缺陷分布模态，其最大计算值可按网壳跨度的1/300取值。因此，仅考虑了L/300初始缺陷的影响，将最低价屈曲模态作为结构的最不利缺陷分布。结构初始缺陷的幅值为：700.2333300300Lm3.2.3确定分析的节点对网壳结构进行全过程分析之后，我们可以为每一个结点绘出一条载荷-位移曲线。但由于计算量过大也没有什么实际意义，所以，只对迭代结束时位移最大的某个节点或者周邻的节点做出载荷-位移曲线。下图为模态1的位移图，位移最大的节点在Node14。《高等钢结构原理》塑性设计与抗震性能部分作业第7页3.2.4荷载-位移曲线Node14的荷载-位移曲线分析结束读取数据后，得到结构的稳定系数为5.48。从图中我们可以看到，荷载较小时，结构变形也较小，此时结构刚度较大，初始缺陷的扰动对结构的影响也较小；但当荷载接近临界荷载时，结构刚度矩阵趋于奇异，即使是很小的扰动也将使结构沿扰动方向发生较大变形，此时初始缺陷的扰动作用将十分显著。a)到达第一个临界点之前，结构随着变形的增大，刚度逐渐减弱，所以图像的斜率逐渐变小，但是尽管位移增大，结构的承载能力也在增大，位移-荷载曲线是典型的非线性。b)到达第一个临界点时，Node14的竖向位移值（Uz）为986.006mm，结构的达到极限承载力，该结构的失稳是突然的、脆性的。c)结构的稳定性态为极值点性态，由于缺陷的存在，改变了平衡路径的性态，缺陷结构的稳定性态表现为极值性特征，极值点（986.006，5.4762）就是结构的第一临界点，该结构没有屈曲后的承载能力。（986.006，5.4762）《高等钢结构原理》塑性设计与抗震性能部分作业第8页接下来，再给出Node14附近的Node4，13