關于鋼結構中塑性設計的分析與探討

屠兆彬l陳桂平2

(1．鹽城市抗震辦2240012．鹽城市建筑設計研究院224001)

1．引言

    隨著經濟的發展，鋼結構作為一種結構形式，有了越來越廣泛的應用。但是由于它大規模應用的歷史較短，在材料應用和設計方法的發展上都還不太成熟。雖然鋼結構中采用的鋼材具有良好的塑韌性，但是我們在實踐中對它的塑性性能的應用還較保守。另外，作為鋼結構來講，組成它的材料雖具有良好的塑性——可是結構的設計又利用了多少呢?在本文中，我們將在簡單介紹鋼材塑性性能的基礎上對鋼結構中塑性設計通過比較進行分析和探討。

2．鋼結構用鋼材的良好塑性性能利用的分析

    由于對鋼材良好塑性性能的了解有助于我們對塑性設計相關理論的掌握，所以進行簡單的介紹。2-1鋼材的塑性就是指在應力超過屈服點后，能產生顯著的殘余變形而不斷裂的性質。由于鋼材的良好塑性性能我們一般將鋼材的力學模型簡化為理想彈塑性體(見圖一)。塑性性能好，使構件破壞前有明顯變形，可以調整局部高峰應力，進行應力重分布。

    2.2它的這一性能在鋼結構設計中(a)動載及地震區鋼結構的推廣應用；(b)在構件的強度和穩定設計中有一定體現。

    2.3但從整體看由于鋼材本身的塑性性能受(a)鋼材中化學成份、冶煉方式、加工方式；(b)工作環境；(c)荷載方式；(d)連接方式的影響較大。而這些因素的分析很復雜，所以現在對鋼材的塑性性能的應用還偏保守。

3.關于鋼結構中塑性設計的分析

    所謂塑性設計是指結構在荷載作用下形成機構為極限狀態的設計方法，其宗件。(如楔形或階形構件)

    3.1采用塑性設計時不宜直接承受動載。

    3.2針對鋼結構塑性設計要求來分析鋼結構中的塑性設計

    3.2.1結構總體設計 

    由于塑性設計時考慮結構已部分進入塑性狀態，已不符合彈性力學疊加原理的條件，不能用單荷載計算再組合的方法；極限分析時，采用塑性機構分析法，且在確定極限狀態時的承載力可通過分析整體穩定與局部穩定進行調整。

    3.2.2連接   

    我們以常用的門式剛架端板的螺栓連接節點來看(見圖二)，傳統一般認為螺栓群受力是三角形分布(見圖a)，利用平衡條件來確定受力，我國即采用此方法。

    可是歐洲的規范采用了塑性設計，認為從距離壓力分布中心最遠的螺栓開始，每一排螺栓的拉力獨立發展至最大多余拉力重新分布，第二排螺栓的拉力最大。

    由于篇幅所限，未進行算例比較，但是結果表明采用塑性設計更經濟一些。但是該種方法需大量的實驗及理論分析，常在規范中列表使用，我國研究尚未成熟。

    3.2.3構件  

    由于鋼結構中主要為受壓和受彎兩種構件且主要產生失穩破壞。失穩破壞時，變形持續增加，一般通過寬厚比限值來控制。我們分為受彎和受壓兩種構件來討論塑性設計(由于不采用格構式，只討論實腹式)。由于結構塑性設計通常要求塑性鉸形成在受彎構件端；受壓構件不形成塑性鉸。所以受彎構件板寬厚比要滿足塑性要求，而受壓構件可以放寬，但保證強柱弱梁。   

    (a)受彎構件

    以前對受彎構件的失穩分析主要是按彈性理論建立模型進行推導，而進入塑性后以切線模量代替彈性模量，并且不考慮腹板的屈曲后強度。但是實際中當失穩發生在塑性階段時，真實的極限荷載確定要考慮材料的非線性和幾何非線性。鑒于此，現行設計中參照美國和日本的規范將受彎構件板件寬厚比限值進行修改(見附表)。 

    (b)受壓構件  

    以前采用理想軸壓桿為模型來進行推導，進入塑性狀態后用切線模量代替彈性模量，這存在很大缺陷，現在一般已不采用該模型。但是由于它的受壓腹板的屈曲后性能分析尚不成熟，所以現在仍未修改先限值。但通過計算比較，發現采用有限寬厚比的方法確定的極限荷載有所提高。現在仍在進行研究，以改進原有受壓構件的板件寬厚比限定。 

    3.3關于塑性設計的幾個注意點

    盡管通過分析比較，我們發現塑性設計更能有效利用材料塑性性能，但是實踐中由于研究試驗還未完善，還有許多問題要注意。

    3.3.1連接節點設計中考慮塑性設計可能更經濟。但是結構中內力重分布后塑性變形集中在桿件中，所以節點設計還應該保證節點彈性范圍內的強度要高于連接桿件中的極限強度。

    3.3.2門式剛架如果做成等截面，采用塑性設計時塑性鉸出現在梁端時，要考慮連接的轉動能力的設計，這增加了分析的難度。

    旨是利用材料較好的塑性，使截面在完全塑性之后內力塑性重分布。它與截面的極限荷載作為強度準則不是等同的概念。雖然鋼材有良好的塑性性能，但并不是所有的鋼結構都可采用塑性設計。 

    3.1鋼結構能夠采用塑性設計要滿足的條件

    3.1.1結構在達到內力塑性重分布之前不允許發生構件的局部失穩。雖然在局部失穩之后有些可利用的屈曲后強度，但承載力不能達到截面完全塑性時的強度，會導致塑性發展過程中承載力的退化。

    3.1.2結構不能在形成機構前發生整體失穩，整體失穩將直接導致承載力下降。   

    3.1.3不采用格構式構件：因為這類構件在邊緣屈服后向腹部發展塑性的余地很少，不能有效完成內力塑性重分布。

    3.1.4不采用沿桿件截面連續變化或突然變化的構

    3.3.3關于屈曲后強度的利用

    (a)塑性設計時，局部失穩將會使構件中塑性不充分發展，此時不能利用屈曲后強度。

    (b)反復荷載作用時，局部失穩易造成疲勞破壞，承載力逐步惡化，也不考慮利用屈曲后強度。

    3.3.4校核

    如果已設定塑性鉸截面，再進行計算時，內力未達極限承載力，要進行調整，以保證塑性設計的要求。

4.補充說明 

    對鋼結構中塑性設計進行了上述分析，我們可以看到這種設計方法的不斷發展。但作者認為以下幾個方面在應用中雖較少提及，可它們對鋼結構的塑性設計有一定的影響。

    4.1地震作用：新的抗震設計規范中，只是簡單提到了鋼結構的塑性設計，筆者認為可更深入的研究，上述節點連接的塑性設計在地震作用時影響較大，還易造成腹板的不安全。

    4.2防火設計：鋼結構中局部破壞后內力重分布使結構還可以繼續承載，這可以給防火設計提供更新的思路。 

    4.3損傷研究：它的研究開始還不久，但它所確定的本構關系，采用了理想彈塑性模型進行分析，這對鋼結構的塑性設計，也會產生影響。

    當然，隨著國際技術交流的加強和實驗、實踐的進一步完善，鋼結構中的塑性設計將朝著更適用、更經濟、更安全的方向發展。

參考文獻：    

(1)國家標準《鋼結構設計規范》GB50017    

(2)國家標準《鋼結構基本原理》GB50011—2001

(3)《鋼結構基本原理》  中國建筑工業出版社沈祖炎陳揚驥陳以一2001

(4)《鋼結構框架體系彈性及彈塑性分析與計算理論》李國強沈祖炎著

(5)《門式剛架輕型鋼結構端板螺栓連接節點性能研究與設計》荊軍等《建筑結構》2000(4)       

(6)《鋼結構設計與施工》建工出版社  [日]渡邊邦夫大澤茂樹等

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)