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海外工程十五年之五一——美标钢结构抗震(8)

2.5什么是非弹性反应?

当地震震动的振幅足够大,足以使结构中的力超过任何结构构件或连接件的强度时,就会发生非弹性反应。当这种情况发生时,结构可能会经历各种行为。如果受力超过其弹性强度极限的构件是脆性的,它们将倾向于断裂并失去抵抗任何进一步载荷的能力。这类行为的典型特征是受拉的钢制受拉构件,其拉伸使得支撑中的力超过其端部连接件的极限强度,或者是受拉超过其开裂强度的无钢筋混凝土构件。如果构件是延性的,它可能表现出塑性行为,当它的应变超过弹性极限时,它能够保持其屈服强度。这类行为的典型特征是抗弯框架中适当支撑的紧凑截面梁;防屈曲支撑的核心;偏心支撑框架中的剪力连接。即使是具有韧性且能够表现出显著的屈服后变形而不发生故障的构件,如果在多个循环中发生塑性应变,最终也会因低周疲劳而断裂并失去承载能力。

现代结构分析软件提供了在超过其弹性极限的变形水平下分析结构的能力。为了做到这一点,这些程序需要输入变形构件的滞回特性(非线性力与变形)。

2-5显示了具有理想弹塑性特性的理论构件的滞回曲线。在这种情况下,结构在弹性刚度K下加载和卸载。当结构在拉伸或压缩状态下加载到其屈服强度Fy时,它将在保持恒定强度的同时继续变形,直到达到极限变形δu,此时它将断裂并失去刚度和强度。

                           

2-5弹塑性滞回性能

实际结构中很少有单元能够表现出真正的弹塑性行为。然而,钢结构中的许多构件能够表现出这种行为的一种形式,称为弹塑性应变硬化行为,如图2-6所示。在这种情况下,单元以恒定的弹性刚度加载和卸载,直到达到屈服变形,此时它继续以减小的后弹性刚度加载。钢构件的典型后弹性刚度在初始弹性刚度的5%20%之间变化。随着加载周期超过先前的屈服点,单元应变硬化,形成新的更高屈服点和屈服应变。与理想弹塑性单元一样,如果加载到足够大的应变,弹性应变硬化单元将失去刚度和强度。表现出这种行为的钢构件包括屈曲约束支撑、偏心支撑框架中的剪力连接以及抗弯框架中适当支撑的紧凑型截面梁。图2-7为防屈曲支撑试验中获得的实际滞回数据(见第5.3节)。图2-8为使用焊接无加强翼缘梁柱连接的类似图。


2-6弹塑性应变硬化性能


 

2-7防屈曲支撑试验的滞回数据图     2-8 焊接无加劲翼缘梁柱弯矩连接试

验的滞回数据

一些结构构件表现出延性后弹性行为,包括屈服后的强度退化。表现出这种行为的构件包括弯曲时非弹性应变但不紧密且呈现局部翼板屈曲的梁,以及表现出侧向扭转屈曲的梁。这种框架中发生的强度退化有时被认为是弹塑性应变硬化行为的一种特殊情况,其中应变硬化斜率为负值。这有时被称为弹塑性应变退化行为。图2-9说明了在塑性铰处没有足够支撑梁翼缘的折减梁截面(RBS)力矩连接中的此类行为。当一个单元整体或局部发生大幅度屈曲时,强度也会发生类似的循环退化。


2-9支撑RBS弯矩连接的弹塑性应变退化性能

挤缩是结构的卸载刚度明显小于初始弹性刚度的一种行为。在木墙板系统中,由于混凝土裂缝的开闭和钢筋与混凝土之间粘结的损失,在框架上的盖板钉入和滑动以及钢筋混凝土构件中出现了挤压行为。图2-10显示了钢筋混凝土柱的滞回曲线,说明了这种行为。


2-10钢筋混凝土构件典型的收缩滞回特性

多年来,工程师们认为滞回收缩是一个不受欢迎的特性,它会导致在非弹性反应期间产生较大的结构位移。最近的研究表明,没有强度退化的滞回收缩不会产生不良反应,并且在某些情况下,产生的结构变形比理想弹塑性行为小。然而,众所周知,挤压加上显著的强度退化会在结构中产生非常大的非弹性响应,并可能导致倒塌。这种行为是典型的支撑屈曲,如图2-11所示。


2-11超过屈曲极限状态的受压支撑滞回性能


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作者: ganggouren

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