第四章_防断裂设计
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抗震第四章-1
第四章 Chapter IV 砼框架结构房屋 抗震设计
The Design of Resisting Earthquake for Reinforced Concrete Frame
§4 - 1
概述 summarize
多层和高层钢筋混凝土结构体系包括： 框架结构、框架-抗震墙结构、抗震墙结构、 筒体结构和框架-筒体结构等。
受剪破坏：配筋不足，间距过大，弯起筋少无 法承担地震引起附加剪力而出现靠近梁端的斜 裂缝或砼剪压破坏。 主筋锚固长度不足在反复荷载作用下被拔出。
三. 框架梁柱节点的 破坏 梁柱节点核心抗剪 强度不足引起剪切 破坏。 节点区剪压比较大 时，被剪压破碎而 破坏。 节点箍筋过稀而产 生脆破或钢筋太密 而影响砼浇筑质量 引起剪切破坏。
四. 填充墙的震害 砌体填充墙刚度大 而承载力低，首先承受 地震作用而遭破坏。一 般7度即出现裂缝，8度 和8度以上地震作用下， 裂缝明显增加，甚至部 分倒塌，一般是上轻下 重，空心砌体墙重于实 心砌体墙，砌块墙重于 砖墙。
原因：墙体受剪承载力低，变形能力小，墙体 与框架缺乏有效的拉结，在往复变形时墙体易发 生剪切破坏和散落。
二.结构抗震等级 the grades of resisting seism 砼多层房屋的抗震设计要求，不仅与建筑物 重要性，地震烈度，而且与结构本身潜在的抗震 能力（结构类型、高度）有关。 1. 根据房屋的设防烈度，结构类型、房屋高 度和场地类别，划分为四个抗震等级。 2.不同抗震等级的结构应符合相应的计算和构 造措施要求。 3.表中的设防烈度应按《规范》3.1.3条各抗 震设防类别建筑的抗震设防标准中抗震措施的要 求的设防烈度确定。 4．建造在I类场地的丙类建筑，除6度外应允 许按本地区抗震设防烈度降低一度采用。
The Design of Resisting Earthquake for Reinforced Concrete Frame
§4 - 1
概述 summarize
多层和高层钢筋混凝土结构体系包括： 框架结构、框架-抗震墙结构、抗震墙结构、 筒体结构和框架-筒体结构等。
受剪破坏：配筋不足，间距过大，弯起筋少无 法承担地震引起附加剪力而出现靠近梁端的斜 裂缝或砼剪压破坏。 主筋锚固长度不足在反复荷载作用下被拔出。
三. 框架梁柱节点的 破坏 梁柱节点核心抗剪 强度不足引起剪切 破坏。 节点区剪压比较大 时，被剪压破碎而 破坏。 节点箍筋过稀而产 生脆破或钢筋太密 而影响砼浇筑质量 引起剪切破坏。
四. 填充墙的震害 砌体填充墙刚度大 而承载力低，首先承受 地震作用而遭破坏。一 般7度即出现裂缝，8度 和8度以上地震作用下， 裂缝明显增加，甚至部 分倒塌，一般是上轻下 重，空心砌体墙重于实 心砌体墙，砌块墙重于 砖墙。
原因：墙体受剪承载力低，变形能力小，墙体 与框架缺乏有效的拉结，在往复变形时墙体易发 生剪切破坏和散落。
二.结构抗震等级 the grades of resisting seism 砼多层房屋的抗震设计要求，不仅与建筑物 重要性，地震烈度，而且与结构本身潜在的抗震 能力（结构类型、高度）有关。 1. 根据房屋的设防烈度，结构类型、房屋高 度和场地类别，划分为四个抗震等级。 2.不同抗震等级的结构应符合相应的计算和构 造措施要求。 3.表中的设防烈度应按《规范》3.1.3条各抗 震设防类别建筑的抗震设防标准中抗震措施的要 求的设防烈度确定。 4．建造在I类场地的丙类建筑，除6度外应允 许按本地区抗震设防烈度降低一度采用。
材料性能与测试课件-第四章材料的断裂韧性
等效裂纹塑性区修正： 等效裂纹塑性区修正：
K ＝Yσ a + r
Ⅰ
y
K =
Ⅰ
Yσ πa 1 − 0.16Y (σ / σ )
2 s 2
2
K =
Ⅰ
Yσ a 1 − 0.056Y (σ / σ )
等效裂纹修正K 图4-4 等效裂纹修正 Ⅰ
2
16
裂纹扩展能量释放率G 五、裂纹扩展能量释放率 Ⅰ及判据 1、GⅠ：
定义：驱使裂纹扩展的动力假设为弹性能的释放， 定义：驱使裂纹扩展的动力假设为弹性能的释放，令
∂U σ πa = G =− ∂a E ∂U (1 −ν )σ πa G =− = ∂a E
2 Ⅰ 2 2 Ⅰ
平面应力
平面应变
判据： 2、判据：
相似，是应力和裂纹尺寸相关的力学参量。 和KI相似，是应力和裂纹尺寸相关的力学参量。当GⅠ增大到临界值GⅠ C， 失稳断裂， 失稳断裂， GⅠC也称为断裂韧度。表示材料阻止裂纹失稳扩展时单位面 也称为断裂韧度。 积所消耗的能量。 积所消耗的能量。 裂纹失稳扩展断裂G 裂纹失稳扩展断裂G判据
8
图4-2 裂纹尖端的应力分析
应力分量
Ⅰ x
应变分量
Ⅰ x
θ θ (1 + ν ) K 3θ K θ θ 3θ ε = cos (1 − 2ν − sin sin ) σ = cos (1 − sin sin ) E 2πr 2 2 2 2πr 2 2 2 θ θ (1 + ν ) K 3θ K θ θ 3θ ε = cos (1 − 2ν + sin sin ) σ = cos (1 + sin sin ) E 2πr 2 2 2 2πr 2 2 2 2(1 + ν ) K θ θ 3θ K θ θ 3θ sin cos cos ) γ = τ = sin cos cos E 2πr 2 2 2 2πr 2 2 2
疲劳与断裂4ppt课件第四章节应变疲劳
多轴应变疲劳研究
总结词
多轴应变疲劳是工程结构中常见的应力 状态，研究多轴应变疲劳对于提高结构 的安全性和可靠性具有重要意义。
VS
详细描述
多轴应变疲劳涉及到多个方向的应力分量 ，其断裂行为和寿命预测比单轴应变疲劳 更为复杂。因此，需要深入研究多轴应变 疲劳的机制和规律，包括多轴应变疲劳的 损伤演化、寿命预测和实验技术等。
THANKS
感谢观看
02
应变疲劳的实验研究
应变疲劳实验方法
实验对象
选择一定数量的受试者，可以是 不同年龄、性别和身体状况的人 群，以探究应变疲劳在不同个体 之间的表现。
实验设计
设计合理的实验方案，包括应变 方式、应变时间、恢复时间等， 确保实验过程科学、严谨。
实验操作
在实验过程中，确保受试者按照 规定的应变方式进行操作，并记 录相关数据。
影响应变疲劳的因素包括材料特性、应力水平、温度、环 境条件等。
要点二
详细描述
材料的特性，如硬度、韧性、强度等，对应变疲劳有显著 影响。高硬度和脆性的材料更容易发生应变疲劳。应力水 平，特别是低应力幅值和高循环应变，也是影响应变疲劳 的重要因素。温度和环境条件，如湿度、腐蚀介质等，也 会对应变疲劳产生影响。在高温和腐蚀环境中，材料的抗 应变疲劳性能通常会降低。
01
根据实验结果分析，总结应变疲劳在不同个体之间的表现和规
律。
提出研究建议
02
根据实验结论，提出对应变疲劳进一步研究的建议和方法，为
相关领域的研究提供参考。
应用前景展望
03
探讨应变疲劳在生产、生活等方面的应用前景，为实际应用提
供指导。
03
应变疲劳的数值模拟
数值模拟方法
第四章 金属的断裂韧度
KⅠY a
（4-4）
式中 Y ＝ 裂纹形状系数，是一个无量纲系数，一般，Y =l～2。
对于Ⅱ、Ⅲ型裂纹，其应力场强度因子的表达式为：
KⅡY a
KⅢY a
（三） 断裂韧度 KⅠc 和断裂K判据
当σ和a单独或共同增大时，K Ⅰ和裂纹尖端各应 力分量也随之增大。当 K Ⅰ 增大达到临界值时，裂纹 便失稳扩展而导致材料断裂。这个临界或失稳状态
说明会产生脆性断裂，因而不安全。
三、高强钢容器水爆断裂失效分析
解题思路简介
四、大型转轴断裂分析
解题思路简介
五、评价钢铁材料的韧脆性
1、超高强度钢的脆断倾向 允许裂纹1毫米
2、中、低强度钢脆断倾向 允许裂纹6～13毫米
3、高强度钢
4、球墨铸铁
允许裂纹63毫米
4.5 弹塑性条件下金属断裂韧度的基本概念
这个 称为COD。
c 也称为材料的断裂韧度，表示材料阻止
裂纹开始扩展的能力。
思考题与习题
1.解释下列名词： ⑴ 低应力脆断；⑵ 张开型（Ⅰ型）裂纹；⑶
应力场和应变场；⑷ 应力场强度因子K Ⅰ；⑸ 小范
围屈服；⑹ 塑性区；⑺ 有效屈服应力；⑻ 有效 裂纹长度；⑼ 裂纹扩展K判据；⑽ 裂纹扩展能量
（二）裂纹扩展能量释放率G Ⅰ
G (U 2ae)
(2a2)2a)(平面应 )
(2a) E
E
G （ 12） E2a)(平面应 ) 变
（三） 断裂韧度GⅠ c 和断裂G判据
≧
G ≧ G C
4.2 断裂韧度K Ic 的测试
一、试样的形状、尺寸及制备 二、测试方法 三、试验结果的处理
2r0
R0
最新抗震设计第四章1
八
三、四 五
六、七
二、三 四
五、六
二 三、四
外墙四角， 错层部位横 墙与外纵墙 交接处较大 洞口两侧， 大房间内外
墙交接处
7、8度时，楼、电梯的四角，每隔15m 左右的横墙或单元横墙与外墙交接处
隔开间横墙(轴线)与外墙交接处,山墙与 内纵墙交接处,7-9度时,楼、电梯的四角
内墙(轴线)与外墙交接处,内墙的局部较 小墙垛处,7-9度时,楼、电梯的四角,9度 时,内纵墙与横墙(轴线)交接处
抗震设计第四章1
大量震害表明传统的砌体结构抗震性能较差：
1923年日本关东大地震，东京约有砖石结构房屋7000栋，几乎全部 遭到不同程度的破坏。
1948年原苏联阿什哈巴德地震，砖石结构房屋的破坏和倒塌率达到 70%-80%。
1976年唐山地震，对烈度为10度、11度区的123栋2-8层砖混结构房 屋调查，倒塌率为63.2%，严重破坏为23.6%，尚能修复使用的4.2%，实 际破坏率达95.8%。
三、房屋高宽比的限制
房屋高宽比：房屋总高度与总宽度的最大比值。
抗震规范对多层砌体房屋不要求作整体弯曲的承载力验算。为了使 多层砌体房屋有足够的稳定性和整体抗弯能力，房屋的高宽比应满足下 表：
房屋高宽比的限值表
烈度
6
7
8
9
最大高宽比
2.5
2.5
2.0
1.5
四、抗震横墙间距的限制
横向地震作用主要由横墙承受。横墙间距较大时，楼盖 水平刚度变小，不能将横向水平地震作用有效传递到横墙， 致使纵墙发生较大出平面弯曲变形，造成纵墙倒塌。
六、结构体系要合理
1、应优先采用横墙承重或纵横墙共 同承重的结构体系；
2、纵横墙的布置宜对称，沿水平面内宜对齐，沿竖向应上下连 续；同一轴线上的窗间墙宜均匀；
三、四 五
六、七
二、三 四
五、六
二 三、四
外墙四角， 错层部位横 墙与外纵墙 交接处较大 洞口两侧， 大房间内外
墙交接处
7、8度时，楼、电梯的四角，每隔15m 左右的横墙或单元横墙与外墙交接处
隔开间横墙(轴线)与外墙交接处,山墙与 内纵墙交接处,7-9度时,楼、电梯的四角
内墙(轴线)与外墙交接处,内墙的局部较 小墙垛处,7-9度时,楼、电梯的四角,9度 时,内纵墙与横墙(轴线)交接处
抗震设计第四章1
大量震害表明传统的砌体结构抗震性能较差：
1923年日本关东大地震，东京约有砖石结构房屋7000栋，几乎全部 遭到不同程度的破坏。
1948年原苏联阿什哈巴德地震，砖石结构房屋的破坏和倒塌率达到 70%-80%。
1976年唐山地震，对烈度为10度、11度区的123栋2-8层砖混结构房 屋调查，倒塌率为63.2%，严重破坏为23.6%，尚能修复使用的4.2%，实 际破坏率达95.8%。
三、房屋高宽比的限制
房屋高宽比：房屋总高度与总宽度的最大比值。
抗震规范对多层砌体房屋不要求作整体弯曲的承载力验算。为了使 多层砌体房屋有足够的稳定性和整体抗弯能力，房屋的高宽比应满足下 表：
房屋高宽比的限值表
烈度
6
7
8
9
最大高宽比
2.5
2.5
2.0
1.5
四、抗震横墙间距的限制
横向地震作用主要由横墙承受。横墙间距较大时，楼盖 水平刚度变小，不能将横向水平地震作用有效传递到横墙， 致使纵墙发生较大出平面弯曲变形，造成纵墙倒塌。
六、结构体系要合理
1、应优先采用横墙承重或纵横墙共 同承重的结构体系；
2、纵横墙的布置宜对称，沿水平面内宜对齐，沿竖向应上下连 续；同一轴线上的窗间墙宜均匀；
大连理工大学精品课程-材料力学性能-第四章-金属的断裂韧度(2)
建立符合塑性变形临界条件（屈服）的函数表达
式r=f()，该式对应的图形即代表塑性区边界形状，
其边界值即为塑性区尺寸。
由材料力学可知，通过一点的主应力1、2、 3和x、y、z方向上各应力分量的关系为：
7
2020年7月30日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
1 x y
2
x
2
y
2
2 xy
1 K cos 1 sin
展。我们将x方向(＝0)的塑
性区尺寸r0定义为塑性区宽 度。
10
图4-2 裂纹尖端附近塑性区 的形状和尺寸
2020年7月30日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
r0
1
2
K
ys
2
KI—应力场强度因子
ys—有效屈服应力
s—单向拉伸时的屈服强度 —泊松比
r0
1
2
K
s
2
（平面应力）
r0
(1 2 2
)2
、有效裂纹及KI的修正 由于裂纹尖端塑性区的存在，会降
低裂纹体的刚度，相当于裂纹长度的增
加，因而会影响应力场及KI的计算，所 以要对KI进行修正。最简单和实用的方 法是在计算KI时采用虚拟等效裂纹代替 实际裂纹。
20
2020年7月30日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
如图4-5所示，裂纹a前方
区域未屈服前，y的分布曲线
2020年7月30日 星期四
第四章 金属的断裂韧度
KI≥KI(KIC)是一个很有用的关系式，它将 材料的断裂韧度同机件的工作应力及裂纹尺寸 的关系定量地联系起来了。应用这个关系式可 解决有关裂纹体的断裂问题：如可以估算裂纹
体的最大承载能力、允许裂纹尺寸a及材料断
第四章 材料的断裂韧度
第四章材料的断裂韧度
1．解释下列名词：
低应力脆断应力场强度因子断裂韧度能量释放率J积分裂纹尖端张开位移2．说明下列符号的名称和含义：
KⅠc GⅠc JⅠcδc
3．说明KⅠ和KⅠc的异同。
4．试述K判据、G判据、J判据和COD判据的意义和用途。
5．简述塑性区修正的意义、方法和条件。
6．试述低应力脆断的原因和预防措施。
7．讨论KⅠc、GⅠc、JⅠc与δc的关系和异同。
8．讨论KⅠc与材料强度、塑性、冲击韧性间的关系，并说明研究这一问题的意义。
9．分析影响断裂韧度的因素。
10．有一大型板件，材料的σ0.2=1200MPa，KⅠC=115MPa·m1/2，探伤发现有20mm长的横向穿透裂纹，若在平均轴向应力900MPa下工作，试计算KⅠ和塑性区宽度，并判断该件是否安全？
11．有一构件加工时，出现表面半椭圆裂纹，若a=1mm, a/c=0.3, 在1000MPa的应力下工作，对下列材料应选哪一种？
σ0.2（MPa）1100 1200 1300 1400 1500
KⅠC（MPa·m1/2）110 95 75 60 55。
4.第四章材料的断裂韧性
2012-4-10
（2）第三强度理论
(4-12)
即： (4-13) 于是有裂纹尖端的塑性区为： (4-14)
2012-4-10
平面应力下：（θ=0）
于是有：
(4-15)
2012-4-10
平面应变下：（θ=0） 因σ3 =2υσ1 ，按σ1 -σ3 =σs ，可计算出：
进而求得： (4-16)
2012-4-10
2012-4-10
第四章材料的断裂韧性
主讲 朱协彬
2012-4-10
目录
4.1 概述 4.2 裂纹尖端的应力场 4.3 断裂韧性和断裂判据 4.4 几种常见裂纹的应力强度因子 4.5 裂纹尖端的塑性区 4.6 塑性区及应力强度因子的修正 裂纹扩展的能量判据G 4.7 裂纹扩展的能量判据GI 4.8 GI和KI的关系 影响断裂韧性K 4.9 影响断裂韧性KIC的因素 金属材料断裂韧性K 4.10 金属材料断裂韧性KIC的测定 4.11 弹塑性条件下的断裂韧性
有效屈服应力： 通常将引起塑性变形的最大主应力，称为有效 屈服应力，以σys 记之。 有效屈服强度与单向拉伸屈服强度之比， 称 为塑性约束系数。 根据最大切应力理论：
2012-4-10
1）按第四强度理论计算
(4-7) 其中σ1 、σ2 、σ3 为主应力。 对裂纹尖端的主应力，可由下式求解： (4-8)
2012-4-10
将Irwin应力场代入上式得：
(4-9)
2012-4-10
代入到第四强度理论中，可计算得到裂纹尖端 塑性区的边界方程为： (4-10)
将上式用图形表示，塑性区的形状如下图：
2012-4-10
4.1 概述
随着高强度材料的使用，尤其在经车、轮船、桥梁和飞机等的意外事故。 传统设计思想: σ <σ许,使用应力小于许用应力。对于塑性材料σ许 =σs /n;对于脆性材料σ许=σb /n; n为安全系数。 从大量灾难性事故分析中发现，这种低应力脆性 破坏主要是由宏观尺寸的裂纹扩展而引起的，这 些裂纹源可能是因焊接质量不高、内部有夹杂或 存在应力集中等原因而引起的。
抗震设计第四章
第 4 章 钢筋砼框架与框架-抗震墙房屋
4-4 框架、框架-抗震墙结构和抗震墙结构水平地震作用的计算 高度不超过 40m， 以剪切变形为主，且质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架、框架－剪力墙结构，可采用底部剪力法计算水平地震作用标准值。 剪力墙结构，宜采用振型分解反应谱法计算水平地震作用标准值。也可近似采用底部剪力法。
第 4 章 钢筋砼框架与框架-抗震墙房屋
框架结构单独基础系梁的设置： 框架结构单独基础有下列情况之一时，宜沿两个主轴方向设置基础连系梁： 一级框架和Ⅳ类场地的二级框架： 各柱基承受的重力荷载代表值差别较大。 基础埋置较深，或各基础埋置深度差别较大， 地基主要受力层范围内存在软弱粘土层、液化土层和严重不均匀土层。 桩基承台之间。
二、填充墙的震害
第 4 章 钢筋砼框架与框架-抗震墙房屋
第 4 章 钢筋砼框架与框架-抗震墙房屋
三、地基和其他原因造成的震害
第 4 章 钢筋砼框架与框架-抗震墙房屋
第 4 章 钢筋砼框架与框架-抗震墙房屋
第 4 章 钢筋砼框架与框架-抗震墙房屋
§ 4-3 抗震设计一般规定 一、房屋适用的最大高度 根据震害经验和经济合理的要求,“规范”规定了乙、丙和丁类建筑的框架结构和框架-抗震墙结构适用的最大高度,不应超过表4-1的规定：
第 4 章 钢筋砼框架与框架-抗震墙房屋
两端固定柱产生 侧移时 , 柱端剪力为:
第 4 章 钢筋砼框架与框架-抗震墙房屋
第 4 章 钢筋砼框架与框架-抗震墙房屋
五、结构的布置 1. 框架结构和框架-抗震墙结构中，框架和抗震墙均应双向设置，柱中线与抗震墙中线、梁中线与柱中线之间偏心距不宜大于柱宽的 1/4。 2. 框架－抗震墙和板柱－抗震墙结构中，抗震墙之间无大洞口的楼、屋盖的长宽比，不宜超过表4-5的规定；超过时，应计入楼盖平面内变形的影响。
第四章 钢结构延性设计
第四章钢结构延性设计1. 引言钢结构在工业、民用和桥梁等方面的应用越来越广泛，钢材的高强度、耐久性以及施工快捷等优点使得其成为一种常见的结构材料。
但是，由于钢的弹性模量高、刚度大，在受到外部载荷作用时，易于发生零点扭转、局部失稳等屈曲形态，其缺乏剪切强度以及变形能力也带来了结构损坏的风险。
为了保证钢结构的安全性能，提高其抗震、抗风、抗振能力，延性设计成为了现代钢结构设计中不可或缺的一部分。
2. 延性设计的概念延性是描述结构弹性阶段过渡到强度破坏阶段时的变形能力大小的一个指标。
钢结构的延性设计，就是对结构在弹性阶段发生位移的同时，要求其能够产生足够多的塑性变形以吸收能量，从而在承载能力发生下降的同时，保证整个结构的稳定性。
在设计过程中，需要根据结构的实际使用环境和功能需求，针对不同的荷载、流体力学、非线性材料和动力学等因素进行综合分析，制定不同的延性设计标准和方案，确保钢结构在设计寿命内稳定可靠地工作。
3. 钢结构延性设计的方法钢结构延性设计是一个涉及多个因素的复杂过程，需要从结构设计、材料选择、施工等方面综合考虑。
常用的延性设计方法包括以下几种：3.1 静力弹塑性分析法静力弹塑性分析法是利用结构抗力特性曲线的非线性特性进行结构分析的一种方法。
该方法通过建立结构刚度与位移的函数关系，预测结构在各种荷载作用下的变形和受力状态，并通过荷载位移曲线来分析结构变形状态的稳定性和能量吸收能力。
静力弹塑性分析法能够在充分考虑结构塑性变形的同时，确保结构的稳定和承载能力，被广泛应用于大型钢结构延性设计中。
3.2 等效静力法等效静力法是将结构地震作用下的动力响应等效为相应的静力作用，进而应用静力分析方法进行结构分析的一种方法。
该方法根据结构的抗震能力，将输入地震波分解为不同频率段以及不同振动模态的静力作用，以此建立结构的静力刚度方程，分析结构静力响应和塑性变形状态的稳定性和能量吸收能力。
等效静力法具有计算简便、便于实用和设计和改进的优点，被广泛运用于中小型钢结构地震设计中。