9 第四章 钢结构的延性设计
钢筋混凝土构件的延性与抗震
机性，结构或构件承受的地震作用实质上是一种反复
施加的荷载。要了解结构的抗震性能，最理想的试验
条件是利用模拟地震振动台进行动力试验，由于振动
台试验设备昂贵、技术复杂，因而大量的结构抗震试
验还是利用低周反复静力加载的方法来模拟地震作用。
低周反复加载试验的目的就是研究结构或构件在地震
作用下的强度、刚度、延性和耗能能力。目前，采用
10.2.5耗能能力评价
基于能量观点，结构的延性抗震设计允许结构部分构件
在预期的地震动下发生反复的弹塑性变形循环，在保证结构
不发生倒塌破坏的情况下，通过部分构件的滞回延性，消耗
地震能量。
(1)等效粘滞阻尼系数
结构构件吸收和消耗能量的能力,可由滞回曲线所包围的
面积和形状来衡量,由下式可求得等效粘滞阻尼系数 35)
滞回曲线充分反映了构件强度、刚度、延性 和耗能能力等方面的力学特征，是分析钢筋混凝 土结构抗震性能的重要依据。滞回环丰满程度及 所围面积表征构件耗能能力，在三种典型的滞回 曲线中，梭形耗能能力最强，弓形次之，反S形最 差。
10.2.2低周反复加载试验的加载制度
地震在发生的时间、空间和强度上都有很大的随
极限变形 Du通常取最大荷载值持续到混凝土达极限压应变开始 卸载时的变形值，此变形对应的荷载值往往小于最大荷载。确定 Du 方法有两种，取最大承载力的0.85倍所对应的点为U点，或者取混凝
土达到极限压应变 cu =0.0033~0.0040所对应的点为U点。
10.1.3截面曲率延性系数
受弯构件适筋梁开始屈服和到达截面最大承载力时的截面应变及应 力分布图如图10-5所示。
D Du Dy
式中，Du 为截面或构件承载力没有明显降低情况下的极限变形；
钢结构抗震性能设计
第四章抗震性能设计4.2b 综述适用于钢构件、钢节点、钢连接的几种滞回模型和损伤指数。
（重点阐述有关钢结构的内容)答：1、滞回模型（1）钢构件的滞回模型：a、轴心受力构件反复荷载作用下轴心受力钢构件滞回模型b、受弯构件反复荷载作用下受弯钢构件的滞回模型c、钢板反复荷载作用下受弯钢构件板的滞回模型（2）钢连接的几种滞回模型线性模型非线性模型（3）钢节点的滞回性能模型反复荷载作用下受弯钢节点的几种滞回模型2、损伤指数综述为了定量描述结构防止在地震中倒塌的安全度，提出了损伤指数的概念。
对结构在其寿命周期内所能承受的地震破坏总量的预测由损伤指数(Damage Index)控制，而损伤指数由刚度、强度和延性确定。
对于其中的延性而言，损伤指数分别从构件级别、楼层级别和整体结构级别代表了塑性铰的塑性转动能力。
（1）构件损伤指数可以由所需塑性转动能力和可提供的塑性主动能力之间的比值计算得出。
a dm I θθ/r（2）楼层损伤指数代表了楼层抵御地震破坏的能力：（3）整体损伤指数描述整个结构的损伤指数，包括地震作用下的结构整体性能。
4.3c综述屈曲约束支撑(无粘结支撑、防屈曲支撑)的特点、类型、设计要点以及国内外最新研究进展和工程应用现状。
答：1、特点在普通支撑外部设置套管，约束支撑的受压屈曲，构成屈曲约束支撑。
屈曲约束支撑仅芯板与其他构件连接，所受的荷载全部由芯板承担，外套筒和填充材料仅约束芯板受压屈曲，使芯板在受拉和受压下均能进入屈服，因而，屈曲约束支撑的滞回性能优良。
.屈曲约束支撑与普通支撑滞回性能对比优点：（1）承载力与刚度分离普通支撑因需要考虑其自身的稳定性，使截面和支撑刚度过大，从而导致结构的刚度过大，这就间接地造成地震力过大，形成了不可避免的恶性循环。
选用防屈曲支撑，即可避免此类现象，在不增加结构刚度的情况下满足结构对于承载力的要求。
（2）承载力高抗震设计中，普通支撑和屈曲约束支撑的轴向承载力设计值为：（3）延性与滞回性能好屈曲约束支撑在弹性阶段工作时，就如同普通支撑可为结构提供很大的抗侧刚度，可用于抵抗小震以及风荷载的作用。
延性设计教学课件PPT
持承载能力而又具有较大塑 性变形能力的结构。
结构延性能力通常用顶点水 平位移延性比来衡量。
延性比定义：
μ＝Δu/Δy
其中：Δy——结构屈服时的 顶点位移；
Δu——能维持承载能 力的最大顶点位移。
h
13
延性结构在结果中等烈度的地震作用后，加以修复任可以重新使１）在结构的竖向，应该重点提高楼房中可能出现塑性变形 集中的相对柔弱楼层的构件延性。
提高延性的重点楼层
（a）大底盘建筑；（b）框托墙结构体系
h
11
（ 2 ）在平面位置上，应该着重提高房屋周边转角处、平面 突变处以及复杂平面各翼相接处的构件延性。对于偏 心结构，应加大房屋周边特别是刚度较弱一端构件的延 性。
+ 必须指出的是，延性抗震在经济上的优势是以结 构出现一定程度的损坏为代价的。这也是延性抗 震设计的一个主要缺陷。
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5
延性抗震设计方法简介
+ 要保证延性结构在大震下以延性的形式反应，能 够充分发挥延性构件的延性能力，就必须确保不 发生脆性的破坏模式(如剪切破坏)，以及防止脆性 构件和不希望发生非弹性变形的构件发生破坏。 要达到这一目的，就要采用能力设计方法进行延 性抗震设计。这一方法，目前正逐渐为世界各国 的规范所接受。
样，地震造成结构倒塌的原因，在于它激起的反
复的弹塑性变形，超出了结构的滞回延性。因此，
如果通过设计，使结构具有能够适应大震弹塑性
变形的滞回延性，则结构在遭遇大地震时，尽管 可能严重损坏，但结构抗震设防的最低目标—— 免于倒塌破坏，却始终能得到保证。这种思想即 为延性抗震设计的基本思想。
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4
探讨钢筋混凝土结构抗震延性设计
探讨钢筋混凝土结构抗震延性设计前言所谓的结构延性是指构件和结构在屈服后，具有承载力不降低或者基本不降低，且具有足够塑性变形能力的一种性能。
延性结构在地震中，尤其是大震中，将进入塑性阶段而产生较大变形，从而吸收地震能量，以提高结构的抗震能力，避免结构发脆性破坏，进而防止出现无征兆的倒塌。
下面主要就钢筋混凝土结构的抗震延性设计进行分析。
一、钢筋混凝土结构延性性能所谓延性是指结构构件或截面受力超过弹性阶段后，在承载力无明显变化的情况下的后期变形能力，即最终破坏之前经受非弹性变形能力。
换而言之，延性实质上是材料、截面、构件或结构保持一定的强度或承载力的塑性变形能力。
延性的大小用延性系数度量：μ=δ u/δ y，式中δ——构件的应变、截面的曲率、构件和结构的转角或位移；δ u 为屈服值，δ y 为极限值。
材料延性是指材料的塑性变形能力，可用材料的本构关系特征参数来定义：μ C=ε U/ε Y，式中ε U 为材料的屈服应变，ε Y 为材料强度没有显著降低时的极限应变。
截面曲率延性。
以弯曲变形为主的构件进入屈服阶段后，塑性铰的转动能力与单位长度上苏醒转动能力，即转动能力的曲率延性直接相关。
曲率延性系数的计算式为：μ准=准u/准y 式中：准u，准y——分别为截面屈服曲率和极限曲率。
在抗震设防地区都应当将钢筋混凝土框架结构设计成延性结构。
这种结构经过中等烈度的地震作用后，加以修复仍可继续使用，在强地震下不至于倒塌，从而保证人们的生命安全。
结构延性在建筑抗震中有以下三点作用：实现塑性内力重分布；防止结构发生脆性破坏；承受非地震作用的偶然荷载。
二、影响钢筋混凝土结构延性因素箍筋的构造要求。
沿梁的纵向配置封闭的箍筋不但能防止脆性的剪切破坏，还可以对受压区混凝土起约束作用。
受到约束的混凝土，其极限压应变能提高。
箍筋布置得越密，直径越粗，其约束作用越大，对构件的延性提高也越大。
特别是超筋情况，箍筋对延性的影响就更显著。
钢筋屈服强度和纵向钢筋配筋率。
钢结构期末考试题及答案
钢结构期末考试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1. 钢结构的主要优点是（）。
A. 强度高B. 刚度大C. 重量轻D. 所有选项都是答案：D2. 钢结构设计中，以下哪项不是钢材的主要性能指标？（）A. 屈服强度B. 抗拉强度C. 抗剪强度D. 弹性模量答案：C3. 钢结构连接方式中，不属于焊接连接的是（）。
A. 电弧焊B. 电阻焊C. 螺栓连接D. 激光焊答案：C4. 在钢结构设计中，荷载组合应遵循的原则是（）。
A. 同时作用B. 独立作用C. 交替作用D. 随机作用答案：A5. 钢结构的稳定性设计主要考虑的是（）。
A. 材料的强度B. 结构的刚度C. 结构的稳定性D. 连接的可靠性答案：C二、填空题（每空2分，共20分）6. 钢结构设计中，钢材的屈服强度通常用符号________表示。
答案：σy7. 钢结构的连接方式主要有________、焊接和螺栓连接。
答案：铆接8. 钢结构的防火设计中，常用的防火材料有________、膨胀型防火涂料和防火板等。
答案：岩棉9. 钢结构的抗震设计中，常用的抗震措施包括设置________、增加结构的延性等。
答案：隔震支座10. 在钢结构的施工过程中，焊接质量的检查通常采用________。
答案：无损检测三、简答题（每题10分，共30分）11. 简述钢结构设计中的主要荷载类型及其特点。
答案：钢结构设计中的主要荷载类型包括永久荷载（如自重）、可变荷载（如风荷载、雪荷载、活荷载等）、偶然荷载（如地震荷载、爆炸荷载等）。
永久荷载是结构自重，是设计中必须考虑的基本荷载。
可变荷载是随时间变化的荷载，对结构的影响较大，需要进行合理的组合和计算。
偶然荷载是突发性的荷载，对结构安全影响极大，需要采取特殊的设计措施。
12. 钢结构的连接方式有哪些，各有什么特点？答案：钢结构的连接方式主要有焊接、螺栓连接和铆接。
焊接连接具有较高的连接强度和刚度，但焊接质量受焊接工艺影响较大。
钢结构设计原理第四章
第 一 T 类 形 第 二 类
1 fc bf x f y As M 1 fc bf x ( h0 x / 2)
1 fc ( bf b )hf 1 f c bx f y As M 1 fc ( bf b )hf ( h0 hf / 2)
M d —— 弯矩组合设计值；
目 录
f cd —— 混凝土轴心抗压强度设计值； f sd —— 钢筋抗拉强度设计值。
昆明理工大学建工学院
混凝土结构设计原理
4.5 公路桥涵工程中受弯构件正截面承载力计算
3、基本公式的适用条件： ⑴最小配筋率限制条件
As min bh
min 为最小配筋率， 0.15% ； 38 ftd / fsd (%)
目 录
5、在实际工程中，受弯构件应设计成适筋截面
昆明理工大学建工学院
混凝土结构设计原理
4.5 公路桥涵工程中受弯构件正截面承载力计算
建工与桥涵工程受弯构件承载力计公式比较
截面 类型 单筋 矩形
建
1 fc bx f y As
工
桥
fcd bx fsd As
涵
M 1 fc bx ( h0 x / 2)
0 M d fcd bx ( h0
x ) 2
目 录
昆明理工大学建工学院
混凝土结构设计原理
4.5 公路桥涵工程中受弯构件正截面承载力计算
计算公式：
X 0
M 0
f cd bx f sd As
x 0 M d fcd bx ( h0 ) 2
0 —— 桥梁结构的重要性系数； 特大桥、重要大桥 0 1.1 大桥、中桥、重要小桥 0 1.0 小桥、涵洞 0 0.9
浅述钢筋混凝土结构延性设计
１ ． 结构抗震延性设计概述及要点 结 构延 性是指钢 筋混凝土构件 和结构在屈 服开始到达 最大 承载力或 者承载 能力还 没有 明显下 降期 间的塑 性变形能 力。提高延性可 以增加结 构抗震潜 力，增 强结 构抗倒 塌能力。 抗 震延 性设计要 点主要包括 ：应保证结 构体系受力 明确 ．地震作用 传递 途径合 理 ；结构 应具备必 要 的抗 震承载 力 （ 如 抗剪 、弯、压、扭 能 力） 、良好的变形 能力 （ 如塑性 ） 和消耗地 震能量 的能力 （ 具有好 的延性 及 阻尼 ） ；对于结 构的薄弱部位应采取有效的措施予 以加强 ；具有多道抗 震 防线 ：结构平面 上两个主 轴方 向的动力特性宜 相近具有合理 的刚度和 强度分 布 ，避免 因局部削弱 或突变形成 薄弱部位 ，产 生过大 的应力集 中
或塑形变形集 中。
区不 发生过 早剪切破坏 的主要措施 是在节点 区配置箍筋 ，同时 ，在施工 阶段保证节 点区混 凝土密实性也 是十分 重要的。 梁柱节 点 区 的剪 力 大小与 梁端 、柱端 内力有关 。抗 震设计 时应 当 要 求在 梁端 出现 塑性 铰 以后 ，节点 区仍不 出现 剪切 破坏 。因此 节点 区 剪力设 计值 可 由梁 端达 到屈 服时 平衡 条件 计算 。在 设计 时 ，除 ９ 度 设 防结构 及一 级抗 震 的纯框 架梁 柱节 点 以外 ，一 、二 级抗震 的梁 柱节 点 核 心 区剪力设 计值 ｖ ， 可 以用节点 左、右 两边 梁的设 计弯矩计 算 ，公 式 如下：
第四章多高层钢结构
结构受力
1）内部设置剪力墙式的内筒，与钢框架竖向构件
主要承受竖向荷载；
2）外筒体采用密排框架柱和各层楼盖处的深梁刚
接，形成一个悬臂筒，以承受侧向荷载；
3）同时设置刚性楼面结构作为框筒的横隔。
剪力滞后（Shear Lag）
在框剪结构中，形成筒体的构面内存在的 剪切变形，即为剪力滞后。 为了避免严重的剪力滞后造成角柱的轴力 过大，通常可采取两个措施： 1）控制框筒平面的长宽比不宜过大 2）加大框筒梁和柱的线刚度之比
束筒结构
由各筒体之间共用筒壁的一束筒状结 构组成(减缓框筒结构的剪力滞后效应) 可将各筒体在不同的高度中止 可较灵活地组成平面形式 密柱深梁的钢结构筒体 筒体
钢筋混凝土筒体(常作为内筒出现)
钢结构和有混凝土剪力墙的 钢结构高层建筑的适用高度（m）
抗震设防烈度
结构种类
结构体系
非抗震设防 6, 7
内筒的边长不宜小于相应外框筒边长的1/3；
框筒柱距一般为1.5～3.0m，且不宜大于层高；
框筒的开洞面积不宜大于其总面积的50％；
内外筒之间的进深一般控制在10～16m之间； 内筒亦为框筒时，其柱距宜与外框筒柱距相同，且 在每层楼盖处都设置钢梁将相应内外柱相连接；
框筒结构布置时的注意事项（续）
低碳钢 低合金钢 低合金钢 低合金钢 低碳钢
SS50
SS55
284
401
490~608
≥540
19
17
2.0a
2.0a
低碳钢
低合金钢
构件截面 柱
焊接箱型截面 焊接H型截面 450
╳
450
厚度 42 — 19 宽度200 — 250
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一、建立更加完善的构件模型，把精力主要放在 构件与结构的稳定性上，当支撑设置适当，失稳 与塑性可能同时发生。 二、发展设计方法和构造措施，以使结构在地震荷载 下发生循环非弹性变形和能保持稳定的塑性行为。需 延性十分重要 要构造措施保证在此之前不发生失稳破坏。
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
3 延性的度量方式
加州结构工程师协会推荐：
u y 3 ~ 5
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
3 延性的度量方式
构件（以弯曲变形为主的构件）的延性
一般通过截面延性系数（曲率延性系数）来度量 ： 截面非弹性末端的曲率
u y
截面开始屈服的曲率
钢结构延性设计的基本概念
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
0 延性概念的引入
i ：动力分析表明:理论分析的弹性反应惯性力要比设 计规范对地震荷载下建议的侧向力大很多，差值几 乎无法用安全系数调和； ii：但按规范设计的结构大多数经受住了地震的考验 iii：反常的原因，结构通过了非弹性变形吸震和耗能 延性
钢结构延性设计的基本概念
钢结构延性设计的基本概念
二、抗震设计的目标
2 抗震设计概念
抗震设计基本原理的核心：
在不可预见的激烈的地面运动中，在结构内选 择一个特定的耗能方式，即要求设计能够保证 构造 在发生大震时一个建筑物一定会怎样反应
而非 通过抗震分析，估计一个建筑物可能会怎样反应
钢结构延性设计的基本概念
二、抗震设计的目标
延性准则
设计者要保证在使用期限内不会由于罕遇地震 （最大地震力）而倒塌，允许有极大的经济损失。 结构必须具有相当大 的非弹性变形能力
钢结构延性设计的基本概念
二、抗震设计的目标
1 可行的能量耗散机构
I ：建立希望出现的塑性铰次序；
塑性变形耗能
II： 依据I，给予每个构件适当的强度，以保证 结构的塑性铰旨在选择的位置出现。
材料的角度：
1964年, ASM（the Metal Handbook of the American Society for Metals)
“Ductility” as “the ability of a material to deform plastically without fracture
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
2 钢结构延性设计所包含的内容：
材料层次的延性 截面与构件层次的延性
结构层次的延性
节点不屈服十分重要
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
3 延性的度量方式
结构的延性一般通过位移延性系数来度量 ： 非弹性末端的变位（极限位移）
u y
开始屈服的变位（弹性极限位移）
Michel Bruneau
1 钢材
2 截面的塑性行为
3 塑性分析的概念
4 塑性分析的一般方法 5 塑性分析的应用 6 延性支撑钢框架结构的设计
Ductile Design of Steel Structures
Michel Bruneau
7 延性抗弯钢框架的设计
8 抗震设计的极限状态设计法
9 钢梁的稳定性与转动能力 10 被动耗能体系
当tute of Steel Construction Canada Institute of Steel Construction
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
* 延性设计的起源和发展
在20世纪的60s以前，塑性设计并无抗震内容
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
* 延性设计的起源和发展
一、建立更加完善的构件模型，把精力主要放在 构件与结构的稳定性上，当支撑设置适当，失稳 与塑性可能同时发生。 相互交融
二、发展设计方法和构造措施，以使结构在地震荷载 下发生循环非弹性变形和能保持稳定的塑性行为。需 要构造措施保证在此之前不发生失稳破坏。
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
* 延性设计的起源和发展
在20世纪的上半叶，学者们开始关注钢材与钢构件截 面上的塑性性能；
1914年，有一些相关的实验报告出来，这些研究活动 主要集中在德国 例如：
现在被广泛采用的Von-Mises (Huber-Hency-Mises) 屈服准则就是源于1904，1913，1925年的研究成果
钢结构延性设计的基本概念
一、结构抗震设计的三准则
2
中震可修
强度准则
对于不常发生的中等地震，允 许有一些非结构构件受到损坏。 但必须避免结构的某些不为由于大的非弹性 变形而损坏，以免昂贵而又困难的修复工作 在地震动荷载下总的结 构反应必须是弹性的
钢结构延性设计的基本概念
一、结构抗震设计的三准则
3
大震不倒
定义“延性”为金属产生塑性变形而不产生裂缝的能 力
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
* 延性概念的发展
材料的角度：
与“延性”相对应，“脆性” 则为
“brittleness” as “the quality of a material that leads to crack propagation without plastic deformations
三、结构的延性
4 延性设计方法
框架结构的整体位移延性系数
控 制
构件截面的曲率延性系数
必须强迫结构按预定次序和位置出现塑 性铰以使结构按预定的模式破坏
钢结构延性设计的基本概念
钢结构延性设计的基础
截面、构件、结构（包括节点）的塑性分析
Ductile Design of Steel Structures
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
* 延性概念的发展
根据上述概念，过去的观点一直认为： 钢材是目前建筑材料延性最好的，因此，在钢结构设 计中，想当然地利用了钢材的塑性变形能力；
材料的延性 结构的延性 但是，事实表明：仅仅材料的良好延性并不能保证结
构获得应具备的延性。
Material ductility alone is not a guarantee of ductile structural when steel components and connections can fail in brittle manner
第四章 钢结构延性设计
Ductile Design of Steel Structures
结构延性设计的若干基本概念
钢结构延性设计的基本概念
一、结构抗震设计的三准则
1
小震不坏
刚度准则
2
中震可修
强度准则
3
大震不倒
延性准则
钢结构延性设计的基本概念
一、结构抗震设计的三准则
1
小震不坏
刚度准则
设计者必须保证当地发生十年至十五年出 现一次的小地震时，建筑物应无任何破坏。 如何防止较脆的且只能承受有 限变形的非结构构件产生破坏 必须限制结构的弹性位移， 如层间位移等
三、结构的延性
1 基本概念
所谓一个结构具有延性行为是指它能够 承受较大的非弹性变形，而强度并不显 著降低，故不至引起结构的失稳和倒塌
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
* 延性概念的发展
材料的角度：
材料能够抵抗较大的非弹性变形而不降低其强度的能力
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
* 延性概念的发展
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
* 延性设计的起源和发展
1860s，Luder在实验中发现受拉试件超过弹性极限时 会在其表面出现塑性铰线；
1868，Tresca
1870s，Saint－Venant
发现了同样的现象
1886，Bauschinger进行了生铁试件的非弹性循环实验
随后，其与Tetmajer一起进行了生铁柱在塑性范围内 的屈曲实验，提出了在当时欧洲广泛应用的柱 强度经验公式
3 能量耗散机构的选择
不同的结构体系的适宜能量耗散机构可能有所不同。
举例：多层框架结构
塑性铰必须产生在所有的梁上 强柱弱梁
但 柱应比梁强多少，规范未定??
钢结构延性设计的基本概念
二、抗震设计的目标
3 能量耗散机构的选择
通常做法：
I ：先选择一些构件，使之耗能；
II： 其它构件则被予以足够强度，以保证已 经确定的耗能方式。
钢结构延性设计的基本概念
三、结构的延性
* 延性设计的起源和发展
在20世纪的50s和60s，是这一领域相关研究的鼎盛时期 其中以美国和英国的学者最为活跃，他们集合了其它国 家学者的成果，给出了塑性设计与分析的工具，以替代 当时的容许应力法（allowable stress method) 此后，进一步的分析和实验研究则不仅针对构件的极限 承载力，也开始针对整个结构体系。