導(dǎo)語(yǔ)：建筑抗震的計(jì)算分析與應(yīng)用一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1塑性鉸和理論鉸的理論對(duì)比分析和有限元舉例證明

1.1截面受力對(duì)比分析

塑性鉸能夠承受一定的彎矩（塑性鉸極限彎矩），并只能沿彎矩作用方向（垂直于截面）做微小轉(zhuǎn)動(dòng)，但是理論鉸則不能承受彎矩（截面彎矩為0），并可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)（結(jié)構(gòu)平面內(nèi)或平面外）。

1.2結(jié)構(gòu)體系與機(jī)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換

建筑物中由若干構(gòu)件連接而成的能承受荷載的平面或空間體系稱為建筑結(jié)構(gòu)，為幾何不變的靜定結(jié)構(gòu)（自由度為0，無(wú)多余約束）或超靜定結(jié)構(gòu)（自由度小于0，具有多余約束）。然而機(jī)構(gòu)是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的構(gòu)件通過(guò)活動(dòng)聯(lián)接以實(shí)現(xiàn)規(guī)定運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件組合，機(jī)構(gòu)的自由度大于0，為幾何可變體系。鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁，是自由度為0、無(wú)多余約束的幾何不變的靜定結(jié)構(gòu)體系，一旦梁中的某一截面出現(xiàn)塑性鉸即變?yōu)閹缀慰勺兊臋C(jī)構(gòu)體系。由理論力學(xué)自由度分析可得，在沒(méi)出現(xiàn)塑性鉸之前的體系的自由度n1=3m-2h-r=3×1-2×0-3=0；出現(xiàn)塑性鉸后的體系的自由度n2=3m-2h-r=3×2-2×1-3=1。鋼筋混凝土連續(xù)梁是具有多余約束的超靜定結(jié)構(gòu)體系，其達(dá)到承載能力極限狀態(tài)的標(biāo)志，并不是某一截面或某若干個(gè)截面達(dá)到其極限彎矩而形成塑性鉸，而是必須在體系截面中出現(xiàn)足夠多的塑性鉸，使整個(gè)具有多余約束的超靜定結(jié)構(gòu)體系變成自由度大于0的幾何可變的機(jī)構(gòu)體系。隨著體系各截面出現(xiàn)塑性鉸，其截面剛度發(fā)生了變化，內(nèi)力將重新進(jìn)行分布，其內(nèi)力與出現(xiàn)塑性鉸之前的內(nèi)力不同。

1.3單跨簡(jiǎn)支梁在SAP2000程序中的對(duì)比分析

本文利用SAP2000有限元分析程序，引入一例單跨簡(jiǎn)支梁，分別在簡(jiǎn)支梁的跨中截面定義塑性鉸和理論鉸進(jìn)行有限元分析，證明上述理論對(duì)比分析的結(jié)果。（1）在FrameHingePropertyData對(duì)話框中定義塑性鉸的屬性，截面的極限彎矩可以指定個(gè)較大的數(shù)，為確保結(jié)構(gòu)計(jì)算的精確性，可以利用矩形截面正截面受彎的極限彎矩Mu=Asfy（h0-fyAs2a1fbc）進(jìn)行施加，并逐步施加荷載。利用圖1和圖2定義塑性鉸和迭加工況，變形結(jié)果為圖3、圖4，簡(jiǎn)支梁隨著荷載的迭加，不斷施加荷載，其跨中截面的變形不斷增大，其塑性鉸的顏色也在不斷變化，從而證明了截面隨著荷載不斷增加而產(chǎn)生塑性鉸的理論。（2）當(dāng)在單跨簡(jiǎn)支梁的跨中截面定義理論鉸時(shí)，系統(tǒng)在計(jì)算運(yùn)行過(guò)程中會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)“Warning、Error”等警告符號(hào)，無(wú)法運(yùn)行，說(shuō)明該體系為幾何可變的機(jī)構(gòu)，無(wú)法完成結(jié)構(gòu)計(jì)算。

2塑性鉸在高層建筑結(jié)構(gòu)抗震中的計(jì)算分析

2.1工程概況

利用SAP2000建立一棟10層樓的框架模型，層高均為2.8m，柱網(wǎng)為6m×6m，砼強(qiáng)度為C25，ES=30000MPa，150mm厚現(xiàn)澆樓板，框架梁、柱的主筋均為HRB335級(jí)（梁截面300mm×550mm，柱截面600mm×600mm），箍筋為HPB235級(jí)?；钶d按照3.5kN/m2設(shè)定；假定按7°(0.20g)抗震設(shè)防，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地特征周期為0.35s。

2.2建模要點(diǎn)

進(jìn)行靜力彈塑性Pushover分析時(shí)必須定義框架單元的塑性鉸，指定梁?jiǎn)卧獮镸3鉸，指定柱單元為PMM鉸，并定義塑性鉸的長(zhǎng)度。在圖2的步驟中不斷設(shè)置P-△效應(yīng)的迭加工況。

2.3分析結(jié)果

2.4建筑結(jié)構(gòu)理論與模型計(jì)算的分析結(jié)論

（1）由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般遵循“強(qiáng)柱弱梁”的原則，樓板將荷載傳遞給（次）梁，（主）梁再將荷載傳遞給柱，柱再將所有荷載傳遞給基礎(chǔ)，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中柱的剛度應(yīng)大于梁的剛度，根據(jù)剛度分配原則，柱所承受的作用大于梁或板。在現(xiàn)澆鋼筋混凝土單（雙）向肋形樓蓋中，按照多跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，梁柱節(jié)點(diǎn)處或梁梁節(jié)點(diǎn)處（主梁與次梁交接處）均簡(jiǎn)化為連續(xù)梁的支座，多跨連續(xù)梁在均布荷載作用下，其跨中部位出現(xiàn)正彎矩ql240（底部受拉，上部受壓），而支座部位出現(xiàn)負(fù)彎矩-ql210（上部受拉，底部受壓）。此外，在柱底部也是剪力和彎矩受力較大處，所以綜上理論得到梁柱節(jié)點(diǎn)處、梁梁節(jié)點(diǎn)處、柱的底部為建筑結(jié)構(gòu)薄弱部位。（2）從10層鋼筋混凝土框架模型分析結(jié)果可得知，隨著水平作用力（Pushover）的逐步迭加，梁端部、柱底部等節(jié)點(diǎn)和底部最先出現(xiàn)了塑性鉸，所以為結(jié)構(gòu)薄弱部位，從而證明了建筑結(jié)構(gòu)理論：震害嚴(yán)重部位為梁柱節(jié)點(diǎn)處、梁梁節(jié)點(diǎn)處、柱的底部，應(yīng)該特別注意這些節(jié)點(diǎn)處的錨固鋼筋外形、錨固弧度、錨固長(zhǎng)度、錨固方式（直錨、彎錨、預(yù)埋件錨固）。（3）圖5表示了結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)的塑性鉸發(fā)展圖。在結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)之前塑性鉸主要依次出現(xiàn)在第1層~第7層的梁端部和第1層的柱底根部；從塑性鉸的顏色可以判斷，這些塑性鉸的變形處于B-IO區(qū)段，即屬于可盡快修復(fù)使用的范疇。在我國(guó)抗震設(shè)計(jì)中，滿足了“大震不倒，中震可修，小震不壞”的三水準(zhǔn)性能要求。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2001)》，結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角小于規(guī)范規(guī)定的彈塑性層間位移角限值1/50，結(jié)構(gòu)的性能滿足罕遇地震需求。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施

建議在結(jié)構(gòu)計(jì)算中梁、柱容易出現(xiàn)塑性鉸的部位，適當(dāng)增大截面尺寸、增大縱向受力鋼筋的直徑（或強(qiáng)度等級(jí)）、加密箍筋間距，或者利用型鋼混凝土來(lái)提高構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和延性，防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生足夠多的塑性鉸而變?yōu)闄C(jī)構(gòu)。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施的局限性分析

（1）增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸，過(guò)于太大會(huì)造成工程造價(jià)浪費(fèi)以及現(xiàn)場(chǎng)施工困難，并造成配筋相應(yīng)增大。（2）增大縱向受力鋼筋的直徑，也是有相對(duì)局限性的，在《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)》理論中，有少筋梁、適筋梁、超筋梁的概念。其中適筋梁是延性破壞，破壞時(shí)具有明顯征兆，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)宜采用適筋梁設(shè)計(jì)。但是少筋梁和超筋梁是脆性破壞，破壞的時(shí)候無(wú)明顯征兆，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免設(shè)計(jì)成少筋梁和超筋梁。另外，縱向鋼筋的直徑也與受彎構(gòu)件的裂縫寬度有關(guān)系。理論試驗(yàn)證明，當(dāng)構(gòu)件內(nèi)受拉縱筋截面相同時(shí)，采用細(xì)而密的鋼筋，則會(huì)增大鋼筋表面積，因而使粘結(jié)力增大，裂縫寬度變小。所以，增大縱向受力鋼筋的直徑也應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的破壞形式和控制裂縫寬度等因素。（3）增大縱向受力鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)，一般工程上的主筋采用HRB335級(jí)、HRB400級(jí)鋼筋，再提高強(qiáng)度等級(jí)會(huì)增大施工難度（比如鋼筋加工、鋼筋綁扎、鋼筋焊接等）以及造成工程成本不必要的浪費(fèi)。在這里順便指出，在施工中若供應(yīng)的鋼筋品種、級(jí)別或規(guī)格與設(shè)計(jì)要求不符時(shí)，必須在征得設(shè)計(jì)單位書(shū)面同意的情況下方可進(jìn)行鋼筋代換，鋼筋代換的原則有等強(qiáng)度代換（不同級(jí)別鋼筋的代換，按照抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度相等的原則進(jìn)行代換）和等面積代換（相同級(jí)別鋼筋的代換，按照面積相等的原則進(jìn)行代換）。（4）型鋼混凝土可大大提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度，還可以縮短施工工期，但勢(shì)必造成工程投資的浪費(fèi)和施工難度的增大（梁柱節(jié)點(diǎn)預(yù)埋件焊接施工），型鋼混凝土一般應(yīng)用于大型公共建筑結(jié)構(gòu)中。

4未來(lái)展望

本文對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采取的措施及其局限性進(jìn)行了理論實(shí)踐分析，但在實(shí)際民用住宅或者建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，多采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的PKPM程序。然而在高等院校或科研機(jī)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)分析卻多采用美國(guó)CSI公司與北京金土木公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的SAP2000、ETABS中文程序。就建模和出圖的操作上來(lái)說(shuō)，PKPM具有很大優(yōu)越性；但就有限元分析來(lái)看，SAP2000、ETABS占有很多優(yōu)勢(shì)。設(shè)想開(kāi)發(fā)出具備上述功能兼容的集結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)于一體的程序，亟待科研工作者的努力研發(fā)和未來(lái)科學(xué)水平進(jìn)步的提高。

5結(jié)束語(yǔ)

本文在理論教學(xué)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面都證明了塑性鉸和普通鉸的區(qū)別，結(jié)構(gòu)薄弱部位的出現(xiàn)，并對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了抗震分析，在作用力不斷加載的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)某些薄弱截面的變形、應(yīng)力逐漸增大，鋼筋發(fā)生屈服，從而產(chǎn)生塑性鉸。希望本文在高校理論教學(xué)的講授過(guò)程和建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)分析應(yīng)用中具有一定指導(dǎo)作用。

本文作者:楊露江陳功李華東工作單位:成都紡織高等?？茖W(xué)校