延性钢框架设计方法研究

摘要：建筑的安全性以及抗震性在很大程度上影响着建筑的安全使用和使用年限，建筑的安全性不仅受到结构承载力的影响，构件变形性能、结构吸收与耗散能量多少以及构件的动力响应也在很大程度上决定着建筑的整体安全。本文对延性钢框架在建筑中的重要性进行了了解，并在分析影响钢框架延性因素的基础上提出延性钢结构的设计方法。

关键词：延性钢框架；设计；抗震性；方法

Abstract: the construction safety and earthquake resistance to a large extent influence the safety of the building use and use fixed number of year, building safety not only by the structure bearing capacity, and the influence of components deformation performance, structure absorption and dissipation energy much and member of the dynamic response is decided in the very great degree the building overall safety. In this paper, the ductility of steel framework in construction importance to understand, and on the analysis of the influence factors of steel frame ductility is proposed on the basis of ductile steel structure design method.

Keywords: ductile steel frame; Design; Earthquake resistance; methods

中图分类号： S611 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

地震是常见的自然灾害，世界各地每年因地震而造成的人员伤亡和财产损失是十分巨大的，地震通常不具有可预测性，为了减少地震等自然灾害的影响，就需要加强土建工程的稳定性和安全性。钢框架结构一直是良好塑性变形能力的代表，它可以减轻地震带来的损失，将自然灾害对建筑的破坏程度降到最小。但是钢框架结构也具有脆性断裂的特征，需要结合施工情况进行相应的设计。

结构延性概述

1、概念。延性是指结构或者构件在较大的承载力下具有足够的塑性变形能力，结构延性一般包括了结构的延性和构件的延性，结构延性要通过构件延性来实现。其中构件延性要高于结构延性，两者关系和结构塑性的破坏机制相关。影响结构延性的因素有很多，包括了材料的强度、轴压比、箍筋以及剪跨比等，设计者需要结合实际的施工情况来对相关的影响因素进行设计。

2、结构延性的重要性。世界各地灾害频发，土建结构需要有一定的安全性和抗震性。延性钢结构可以通过自身结构变形的大小来减轻破坏的程度和性质，减小自然灾害对建筑的影响，在内力不增大的情况下耗散地震的能量，将灾害的塑性破坏降到最低。建筑在使用的过程中会出现不均匀沉降、偶然超载以及体积变化等问题，这些问题通常会引起结构变形和巨大内力的产生，造成建筑的破坏。但是延性钢结构通过对临界截面和弯矩的设计，实现了节约材料和配筋合理的目的。

二、延性钢框架的设计

钢框架的结构脆性是普遍难以解决的，原有的方法只是对局部的构造进行改进，控制焊接工艺的操作以及减少梁柱的连接缺陷，这些措施都不能有效提高建筑的抗震性。延性和强度一直是建筑抗震性的设计指标，只有把握塑性铰仅在梁上出现的原则，延性钢框架的作用才能充分的发挥。

延性钢框架设计的内容。新型节点是发挥延性钢框架作用的关键，节点主要有加强型和削弱型的节点，其中加强型的节点要进行节点连接件的增加，提高节点的强度，另构件具有较好的塑性。而削弱型节点要对连接节点根部的梁截面进行相关的局部削弱，使塑性铰在梁上出现，通过削弱梁的作用来保护节点。此外，延性钢设计的另外一部分就是钢框架在正常状态和极限状态下的设计，它设计的难点就在于钢框架整体的非线性分析。钢框架承载力和新型节点设计是延性钢框架设计的两部分，两者之间是相互联系的，在进行延性节点设计之前，需要对钢框架构件截面的大小进行确定。

塑性区模型设计。目前钢结构研究理论的热点是非线性分析方法，在非线性分析的过程中通常会用到塑性区模型和塑性铰模型。其中塑性区模型主要有基于塑性变形理论的壳单元模型和基于梁柱理论的截面划分网格模型。在三维壳单元模型中要考虑剪应力和正应力对钢结构塑性的影响，还要考虑整体和局部的初始几何缺陷，是真正精确的弹塑性分析方法。但是该种方法要进行三维壳单元的大量划分，还要进行较复杂的运算，该种方法只适用于小型的结构分析。此外，基于梁柱理论的截面划分网格只需要对正应力和整体的初始几何缺陷进行考虑，具有较高的计算精度，但是该种方法也具有计算量大的缺点，在实践中很难得到良好的应用。

塑性铰模型设计。该种设计方法又可以分为简单的塑性铰模型、名义荷载的塑性铰模型、弹塑性铰模型以及精炼的塑性铰模型，简单塑性铰模型是假定结构塑性集中在杆端，除了结构两端可以形成塑性铰之外，其余的部分是弹性的，不对塑性在截面上扩展和残余余应力的塑性分布进行考虑，这就决定了该种设计方法不能适应较准确的延性钢框架设计，只有对其进行相应的改进，才能得到更广泛的应用。名义荷载的塑性铰模型是人为增加横向荷载，对建筑的残余应力、截面逐步塑性以及初始的集合缺陷进行考虑，具有简便易行的优点。弹塑性铰模型是对塑性转角和弹性转角进行考虑，可以很方便的应用于动力分析和结构的静力分析，具有较好的实用性。而精炼的弹性铰模型引入了弯曲刚度的降低系数以及切线模型两个概念，通过对数据公式以及抛物线形式的分析计算缺陷的影响，该种办法的计算时间较短，可以结合建筑的实际情况来采取符合工程需要和效率与精度兼备的分析方法，该方法也是延性钢结构设计中应用最多和最广的办法。

延性钢框架的设计步骤

我国土建工程多是使用的混凝土结构，有关延性钢结构的研究都是刚刚起步，很多设计规范都只是规定了钢结构塑性设计的构造要求、适用范围以及构件的计算方法，钢结构的具体分析方法和适用流程都没有规定。延性钢框架在设计的过程中可以对国外的设计规范进行参考，结合建筑的实际情况来得到延性节点设计的公式和相关步骤。

1、延性节点的选择。如上所述，延性钢框架的设计理论有很多，设计人员需要结合建筑的施工要求，施工场地的抗震性要求以及设计的规范来选择合适的延性节点，包括了削弱型和加强型的节点。设计人员在选择节点之后，要保证结构的塑性铰远离建筑的柱表面，在结构平面布置上可以增加开间数，进而增加建筑的静定次数。

2、循环加载试验。在节点选择完成之后，设计人员需要通过循环加载试验来确定节点的延性和承载力，在有相同试验数据的情况下可以进行相关的参考，在承载力不足的情况下要改进设计的方案和数据计算的方法，避免建筑施工过程中出现承载力不足的问题。此外，只有在特别许可的情况下才能对原有试验资料进行归纳，得到设计的数据，否则这些数据是不能作为设计的依据。

3、塑性铰位置的确定。对于加强型的节点还要通过假定塑性铰位置的方法来确定塑性铰的位置，而削弱型的节点则要在削弱中心处进行位置的确定，提高塑性铰位置的准确性。设计人员还要对塑性弯矩进行位置确定，考虑材料的强度确定性、材料模型的不确定性以及应力硬化的效应，计算塑性铰柱表面弯矩、塑性铰剪力以及柱中心的弯矩，确定柱截面的高度。此外，设计人员还要对强柱弱梁的条件进行验算，确定柱截面在荷载作用下的轴向压应力，提高设计的精度和强度。延性钢框架在我国使用的时间不长，相应的设计规范还存在一定的滞后性，设计人员要结合国内外先进的设计经验，通过对建筑实际模型的分析来确定设计方案的选择，加强设计中数据模型的运算和试验公式的选择，切实提高设计的可行性，保证建筑具有较好的安全性和抗震性，减少国家的经济损失。

结语：

我国土建工程多是使用的混凝土结构，延性钢结构的设计在我国刚刚起步，相关的设计规范和设计方法还很不全面，延性钢结构容易出现脆性的断裂，不能保证钢材延性的发挥。设计人员要结合土建工程的实际情况，结合国内外的先进经验来选择合适的设计方法和设计途径，切实改进原有的设计方案，通过对加强型和削弱型节点的选择来保证设计的精度和强度，提高建筑的安全性和抗震性，提高建筑的使用年限。

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