GB 50017讲课有关内容之塑性设计.doc
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1、1GB 50017 讲课有关内容之塑性设计附录讲课有关内容之塑性设计附录9 塑性设计塑性设计 9.1 一般规定一般规定 9.1.1 本章规定适用于不直接承受动力荷载的固端梁、连续梁以及由实腹构件组成 的单层和两层框架结构。 . 该条明确指出本章的适用范围是超静定梁、单层框架和两层框架。用简单塑 性理论进行框架分析是不考虑其二阶效应的。但是,按塑性分析的结构,变形较 大,结构刚度也有所降低,二阶效应的不利影响必然比弹性分析时稍大;如果再 加上残余应力、初弯曲、初偏心等初始缺陷的影响,承载能力还得进一步降低。 不过,经过大量试验证明:对一般的单层和两层框架,钢材硬化的有利作用完全 可以抵消上述对承
2、载能力降低的不利影响。对两层以上的框架,目前我国的理论 研究和实践经验较少,故未包括在内。两层以上的无支撑框架,必须按二阶理论两层以上的无支撑框架,必须按二阶理论 进行分析或考虑进行分析或考虑 P效应效应。两层以上的有支撑框架,则在支撑构件的设计中, 必须考虑二阶(轴力)效应。如果设计者掌握了二阶理论的分析和设计方法,并有足 够的依据,也不排除在两层以上的框架设计中采用塑性设计。00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 9.1.2 采用塑性设计的结构或构件,按承载能力极限状态设计时,应采用荷载
3、的设 计值,考虑构件截面内塑性的发展及由此引起的内力重分配,用简单塑性理论进 行内力分析。 按正常使用极限状态态设计时,采用荷载的标准值,并按弹性理论进行计算。 简单塑性理论是指假定材料为理想弹塑性体,荷载按比例增加。计算内力时, 考虑发生塑性铰塑性铰而使结构转化成破坏机构体系。000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 9.1.3 按塑性设计时,按塑性设计时,钢材的力学性钢材的力学性能应满足强屈比能应满足强屈比 fu/fy1.2,伸长率,伸长率 515, 相应于抗拉强度相应于抗拉强度 fu的应变的
4、应变 u不小于不小于 20 倍屈服点应变倍屈服点应变 y。 该条为强制性条文。该条系将旧规范条文说明中有关钢材力学性能的要求经 修正后列为正文即:(1)强屈比,fu/fy1.2;(2)伸长率 515;(3)相应于抗拉强度 fu的应变 u不小于 20 倍屈服点应变 y。这些都是为了截面充分发展塑性的必要要求。上述第 3 项要求与原规范不同,2旧规范为屈服台阶末端的应变 st6p(p指弹性应变),也就是要求钢材有较长的 屈服台阶,但有些低台金高强度钢,如 15NnV 就达不到此项要求,而根据国外规 范的有关规定,15MnV 可用于塑性设计。现根据欧州规范 EC3-ENV 1993,将此 项要求改为
5、 u20y,(见陈绍菩编写的钢结构设计原理第二版)。000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 9.1.4 塑性设计截面板件的宽厚比应符合表 9.1.4 的规定。表 9.1.4 板件宽厚比截面形式翼缘腹板9tbyf235当0.37 时:AfN wwwth th th210、yfAfN23510072 当0.37 时:AfN wwwth th th210、yf2353530tb0yf235与前项工字形截面的腹板相同. 塑性设计要求某些截面形成塑性铰并能产生所需的转动,使结构形成机构, 故对构件中的板件
6、宽厚比应严加控制,以避免由于板件局部失稳而降低构件的承 载能力。 GB 50017-2003 规范规定的容许宽厚比与世界各国或地区规定的比较,我国的 规定与世界各国差别不大,实际上是参考各国规定而定的。只是当轴心力较大时 的腹板高厚比取为 hotw35,比各国偏小一些,这是由于我国轴心压杆腹板按 弹性分析时的最低值为 hotw=40 之故。000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000039.2 构件的计算构件的计算 9.2.1 弯矩 Mx(对 H 形和工字形截面 x 轴为强轴)作用在一个主平面内的受弯
7、构件, 其弯曲强度应符合下式要求:MxWpnxf (9.2.1) 式中 Wpnx对 x 轴的塑性净截面模量。 . 构件只承受弯矩 M 作用时,截面的极限状态应为:MWpnfy考虑抗力分项系 数后,即为公式(9.2.1)。Wpn为净截面塑性模量,是按截面全部进入塑性求得的, 与本规范第 4 章采用的 W 不同,W 的取值仅是考虑部分截面进入塑性。 旧规范规定,进行塑性设计时钢材和连接强度设计值应乘以折减系数 0.9。依 据是二阶(P)效应没有考虑,并且假定荷载按比例增加,都使得算的结构承载 能力偏高。后来的分析表明,单层和二层框架的二阶效应很小,完全可以由钢材 屈服后的强化特性来弥补,加载顺序只
8、影响荷载位移曲线的中间过程,并不影 响框架的极限荷载。因此,这次修订取消了 0.9 系数。 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 9.2.2 受弯构件的剪力 V 假定由腹板承受,剪切强度应符合下式要求: Vhwtwfv (9.2.2) 式中 hw、tw腹板高度和厚度;fv钢材抗剪强度设计值。 . 受弯构件和压弯构件计算中,剪力的存在会加速塑性铰的形成。在塑性设计 中,一般将最大剪力的界限规定为等于腹板截面的剪切屈服承载力,即VAWf (Aw为腹板截面积)。 在满足公式(9.2.2)要求的前提
9、下,剪力的存在实际上并不降低截面的弯矩极限 值即仍可按本规范公式(9.2.1)计算。因为钢材实际上并非理想的弹塑性体,它 的塑性变形发展是不均匀的,一旦出现应变硬化阶段,当弯矩和剪力值都很大时, 截面的应变硬化很快出现,从而使弯矩极限值并无降低。00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 9.2.3 弯矩作用在一个主平面内的压弯构件压弯构件,其强度应符合下列公式的要求:当0.1 3 时:fANnMxWpnxf (9.2.3-1)4当0.13 时:fANnMx1.15Wpnxf (9.2.3-2)
10、 fANn-1式中 An净截面面积。 压弯构件的压力压弯构件的压力 N 不应大于 0.6 An f,其剪切强度应符合公式(9.2.2)的要求。0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 9.2.4 弯矩作用在一个主平面内的压弯构件压弯构件,其稳定性稳定性应符合下列公式的要求:1 弯矩作用平面内弯矩作用平面内:1 (9.2.4-1) Expxxmxx NNfWM AfN8 . 01 式中 Wpx对 x 轴的塑性毛截面模量。x、和 mx应按第 5.2.2 条计算弯矩作用平面内稳定的有ExN关规定采用。 2
11、弯矩作用平面外弯矩作用平面外:1 (9.2.4-1)fWM AfNpxbxtxyy、b、 和 tx应按 5.2.2 条计算弯矩作用平面外稳定的有关规定采用。. 按塑性设计的结构,其受弯构件受弯构件(梁梁)的整体稳定由侧向支承来保证的整体稳定由侧向支承来保证;但压弯构但压弯构 件的整体稳定应由结构计算和侧向支承共同来保证件的整体稳定应由结构计算和侧向支承共同来保证。 公式(9.2.4-1)及(9.2.4-2)是参照弹性分析而得,仅是用了全塑性的 Wpx代替部 分塑性的 xW1x实际上塑性设计的二阶效应比弹性分析要大。 为了保证压弯构件的稳定,还应对其弯矩作用平面内、外的长细比加以较为 严格的控制
12、。00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000059.3 容许长细比和构造要求容许长细比和构造要求931 受压构件的长细比不宜大于 130。yf235/. 采用塑性设计的框架柱,如果长细比过大也会使二阶效应带来的影响加大, 使框架柱的实际承载能力将比按简单塑性理论计算降低很多,因此本条规定了比 新规范第 5 章稍严的容许长细比值。000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000009.3.2 在构件在构件出现塑性铰
13、的截面处,必须设置侧向支承出现塑性铰的截面处,必须设置侧向支承。该支承点与其相邻支承 点间构件的长细比 y应符合下列要求:当10.5 时:fWMpx1y (9.3.2-1)ypxffWM23540-601 当 0.51.0 时:fWMpx1y (9.3.2-1)ypxffWM23510-451 式中 y弯矩作用平面外的长细比,y =l1/i y,l1为侧向支承点间距离,iy 为 截面回转半径; M1与塑性铰相距为 l1的侧向支承点处的弯矩;当长度 l1内为同向曲率时,为正;当为反向曲率时,为负。 fWMpx1 fWMpx1对不出现塑性铰的构件区段,其侧向支承点间距应由本规范第 4 章和第 5
14、章 内有关弯矩作用平面外的整体稳定计算确定。6. 对于已形成塑性铰的梁截面,在结构尚未达到破坏机构前梁将继续变形,为 了使塑性铰处在转动过程中能保持承受弯矩极限值的能力,不但要避免板件提前 局部屈曲,而且必须避免构件的侧向扭转屈曲,要使构件不发生侧向扭转屈曲, 应在塑性铰处及其附近适当距离处设置侧向支承。本条文规定的侧向支承点间的 构件长细比限制,是根据理论和试验研究的结果,再加以简化得出。 试验结果表明:侧向支承点间的构件长细 y,主要与 M1/Mp的数值有关,且 对任一确定的 M1/MP值加上抗力分项系数后,该比值就变为本规范公式(9.2.-1)中 的 M1/Mpxf,均可找到相应的 y,
15、根据国内部分研究分析结果并参考国外的规定, 加以简化后得到关系式(9.3.2-1)和(9.3.2-2)。00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000009.3.3 用作减少构件弯矩作用平面外计算长度的侧向支撑,其轴心力应分别按本 规范第 4.2.6 条或第 5.2.8 条确定。 934 所有节点及其连接应有足够的刚度,以保证在出现塑性铰前节点处各构件 间的夹角保持不变。 构件拼接和构件间的连接应能传递该处最大弯矩设计值的构件拼接和构件间的连接应能传递该处最大弯矩设计值的 1.1 倍,且不得低于倍,且不得
16、低于 0.25 Wpxf。 .图图 127 梁与柱的刚性节点梁与柱的刚性节点为使结构达到塑性设计的构件预期性能,因此,横梁与柱的连接节点以及山 形框架的屋脊节点等,都应具有足够的刚度,以保证在构件出现塑性铰之前各构 件之间的夹角保持不变。为了运输和安装的方便,实际工程中经常采用螺栓连接 节点;但螺栓连接当中受到稍大的塑性变形后即容易引起节点松动,所以应该严 格控制螺栓连接处的塑性变形。一般宜采用高强度螺栓并使螺栓承受的拉力Nt0.8P(P 为预拉力)。连接形式可采用扩大式接头(见图 127a)、加腋式接头(见图 127b)和错开式接头(见图 127c、d)等。 为了使塑性变形不致集中在拼接位置
17、,而迫使它集中在邻近的构件截面上, 所以规范规定,构件的拼接和构件间的连接应能传递该处计算弯矩值的 l.1 倍,且 不低于 0.25Wpxf。70000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 935 当板件采用手工气割或剪切机切割时,应将出现塑性铰部位的边缘刨平, 当螺栓孔位于构件塑性铰部位的受拉板件上时,应采用钻成孔或先冲后扩钻孔。1 0 钢管结构钢管结构1 0.1 一般规定一般规定 钢管构件与开口截面构件相比,具有较高的抗压和抗扭承载能力,且两个方 向的抗弯承载能力相等或相近;采用直接焊接的管节点
18、,除外形轻巧美观外,节 点形式简单,节约钢材,还可以形成封闭空间结构,节约防腐涂料。由于上述优 越性,直接焊接钢管结构获得了较快的发展和应用。规范中规定的钢管结构规定用于不直接承受动力荷载的直接焊接钢管结 构,包括圆管、方管和矩形管结构。由于我国尚未开展直接承受重复动力荷载的 钢管焊接节点的疲劳问题的研究工作,其疲劳问题暂未列入规范。钢管可采用无 缝钢管制成,但价格较高,一般可采用冷弯成型的高频焊接钢管。 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 10.1.1 本章规定适用于不直接承受动力荷载不
19、直接承受动力荷载,在节点处直接焊接的钢管(圆管、 方管或矩形管)桁架结构。 . 该条明确了钢管包括方管及矩形管截面管材,同时明确了原条文中的钢管结 构主要指钢管桁架结构。 钢管结构一般指由圆管或方管(或矩形管)组合的平面或空间桁架结构体系。钢 管结构节点连接的类型很多,本章只限于节点处直接焊接的钢管结构。 用钢管制作的桁架结构构件,其刚度大,抗压和抗扭性能好,因而用作屋架、 通廊、桥架、支架、厂房柱以及其他特种结构者比较合理。与普通轧制型钢结构 相比,可节约钢材 20以上。圆管可以采用冷弯成型的高频焊接钢管,也可以采 用无缝钢管。方管和矩形管则多为冷弯成型的高频焊接钢管,但是由于此类管材 通常
20、存在残余应力和冷作硬化现象,用于低温地区的外露结构时,应进行专门的 研究。 对于承受交变荷载的钢管焊接连接节点的疲劳问题,因为远较其他型钢杆件 节点受力情况复杂,且目前对动态荷载下的疲劳性能尚研究不足,使用经验也较 缺乏,因此规范规定在节点处直接焊接的钢管(圆管、方管或矩形管)桁架结构,适 用于不直接承受动态荷载的情况。 00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 10.1.2 圆钢管的外径与壁厚之比不应超过 100(235/fy);方管或矩形管的最大外缘8尺寸与壁厚之比不应超过 40。yf23
21、5/ 说明:限制钢管的径厚比或宽厚比是为了防止钢管发生局部屈曲。钢管的局部屈 曲与一般的平板不同,对缺陷特别敏感,只要管壁稍有局部凹凸,临界应力就会 比理论值下降若干倍,何况钢管通常在强塑性状态下屈曲,因此,世界上很多国 家的规范以及我国钢结构设计规范和玲弯薄壁型钢结构设计规范都是根 据试验确定钢管杆件的容许径厚比。其中,圆钢管的径厚比与新规范第 5.4.5 条相 同,矩形管翼缘与腹板的宽厚比略偏安全地取与轴压构件的箱形截面相同。本条 规定的限值与国外第 3 类截面(边缘纤维达到屈服,但局部屈曲阻碍全塑性发展)比 较接近。000000000000000000000000000000000000
22、0000000000000000000000000000000000 10.1.3 热加工管材和冷成型管材不应采用屈服强度热加工管材和冷成型管材不应采用屈服强度 fy超过超过 345N/mm2以及屈强比以及屈强比 fy/fu0.8 的钢材,且钢管壁厚不宜大于的钢材,且钢管壁厚不宜大于 25mm。 . 该条为新增内容。钢管结构的设计计算公式主要依赖于试验研究,由于目前 国内外对直接焊接的钢管结构所做的节点试验研究工作中,其钢材的屈服强度均 未超出 345N/mm2,钢管壁厚亦不大于 25mm(管壁太厚很难冷弯成型),因此,规 范规定管结构采用的热加工管材或冷成型管材壁厚不宜大于 25mm,且不应
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