高等钢筋混凝土结构-塑性铰与内力重分布
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钢筋混凝土连续梁塑性内力重分布浅析钢筋混凝土连续梁、板结构在建筑中应用十分广泛,一些物殊结构,如水池的顶和底板,烟囱的板式基础也都是连续梁、板结构,因此结构计算和构造的正确性,对建筑的安全使用和经济效益有着非常重要的意义。
钢筋混凝土连续梁属于超静定结构,其内力分布与各截面间的刚度比值有关。
按弹性理论计算时,内力与荷载成线性关系。
内力分布规律始终不变,即认为结构的刚度不变,显然这与钢筋混凝土结构受力性能不符。
事实上由于混凝土受拉区裂缝的出现和开展,受压区混凝土的塑性变形,特别是受拉钢筋屈服后的塑性变形,各截面刚度比值不断变化,内力与荷载不再是线性的,而是非线性的,即结构的内力分布规律与按弹性理论计算的分布规律不同,因此在连续梁实际受力过程中,就要考虑塑性内力重分布的问题,这样就能真实正确的计算连续梁的承载能力。
笔者就下面几个方面浅谈对塑性内力重布的理解。
一、超静定结构才有内力的塑性重分布静定结构的内力分布规律(不是指数值)是由静力平衡条件确定的,与截面几何特征、材料及荷载的增大等无关。
所以静定期结构不存在内力的重分布问题。
可见,内力塑性重分布的研究对象是超静定结构中的内力,相当于超静定钢筋混凝土结构的结构力学。
二、内力塑性重分布的阶段性内力的塑性重分布可分为两个阶段,第一阶段是由于截面间刚度比例的改变,引起了内力不再服从弹性理论规律,而按弹塑性规律分布,通常指从截面开裂至第一个塑性铰即将形成的那个过程。
第二阶段是指由于塑性铰的出现改变了结构的计算图式从而使内力经历了一个重新分布的过程。
显然和二阶段的内力重分布比第一阶段的内力重分布显著得多。
所以严格地说,第一阶段是内力的弹塑性重分布,而第二阶段才是真正的内力塑性重分布。
在和二阶段中,内力重分布的发展程度,主要取决于塑性铰的转动能力。
如果首先出现的塑性铰都具有足够的转动能力,即能保证紧后一个使结束构变为几何可变体系的塑性铰的形成(保证结构不因其他原因如受剪而破坏),就称职为完全的内力重分布,如果在塑性铰的转动过程中混凝土被压碎,而这时另一塑性铰的尚未形成,则称为不完全的内力重分布。
混凝土结构塑性内力重分布分析
1、混凝土连续梁和连续单向板,可采用塑性内力重分布方法进行分析。
重力荷载作用下的框架、框架-剪力墙结构中的现浇梁以及双向板等,经弹性分析求得内力后,可对支座或节点弯矩进行适度调幅,并确定相应的跨中弯矩。
2、按考虑塑性内力重分布分析方法设计的结构和构件,应选用符合本规范第4.2.4条规定的钢筋,并应满足正常使用极限状态要求且采取有效的构造措施。
对于直接承受动力荷载的构件,以及要求不出现裂缝或处于三a、三b类环境情况下的结构,不应采用考虑塑性内力重分布的分析方法。
3、钢筋混凝土梁支座或节点边缘截面的负弯矩调幅幅度不宜大于25%;弯矩调整后的梁端截面相对受压区高度不应超过0.35,且不宜小于0.10。
钢筋混凝土板的负弯矩调幅幅度不宜大于20%。
预应力混凝土梁的弯矩调幅幅度应符合本规范第10.1.8条的规定。
4、对属于协调扭转的混凝土结构构件,受相邻构件约束的支承梁的扭矩宜考虑内力重分布的影响。
考虑内力重分布后的支承梁,应按弯剪扭构件进行承载力计算。
注:当有充分依据时,也可采用其他设计方法。
一塑性铰知识点总结塑性铰理解:适筋梁(或柱,当主要是梁)受拉纵筋屈服后,截面可以有较大转角,形成类似于铰一样的效果,称作塑性铰。
塑性铰是一种特殊的铰,它能承受一定方向的弯矩,这是它区别于一般铰最本质的特征。
在抗震设计中,做到强柱弱梁就是为了保证让梁出现塑性铰,此时梁的变形较大,但是还能受力。
塑性铰对抗震设计来说,是一个重要的概念,因为在塑性铰形成的过程中能吸取大量的地震能量,所以在设计中恰到好处地设计塑性铰形成的位置(比如在梁端而不是柱),可有效降低震害,不至于出现迅速倒塌的后果(满足抗震设防要求)。
塑性铰与一般理想铰的区别在于:塑性铰不是集中在一点,而是形成一小段局部变形很大的区域;塑性铰为单向铰,仅能沿弯矩作用方向产生一定限度的转动,而理想铰不能承受弯矩,但可以自由转动;塑性铰在钢筋屈服后形成,截面能承受一定的弯矩,但转动能力受到纵筋配筋率、钢筋种类和砼极限压应变的限制。
配筋率越大或截面相对受压区高度越大,塑性铰的转动能力却越小。
支座负弯矩调幅原因:《高规》5.23.3条指出,在竖向作用下,可考虑框架梁端塑性变形内力重分布,对梁端负弯矩乘以调幅系数进行调幅。
弯矩调幅来源于受力全过程和截面的塑性特性。
要理解弯矩调幅首先要知道塑性铰的概念,塑性铰主要来源于钢筋屈服以及混凝土塑性变形所产生的塑性,它的力学特征是在截面所承受的弯矩不变的情况下有一定的转动能力,(类似于铰,区别在于铰不能承受弯矩,而塑性铰可以承受弯矩)。
塑性铰的的出现导致了连续梁的内力重分布,负弯矩的弯矩保持不变,而跨中弯矩增大,最终跨中也达到极限承载力而破坏!所以考虑塑性内力重分布的受力过程是:第一阶段:首先荷载较小,跨中支座弯矩线形增加,支座弯矩大于跨中弯矩(支座弯矩始终是大于跨中弯矩的)。
随着荷载增大,支座达到承载能力极限,形成塑性铰。
进入第二阶段:此时支座弯矩不变(事实上还有小许增加),跨中弯矩继续增加,最后跨中也出现塑性铰,结构成为机动体系,结构破坏。
混凝土结构塑性内力重分布分析混凝土结构在承受荷载时会产生塑性变形,从而引起内力的重分布。
混凝土结构的塑性内力重分布分析是为了确定结构在破坏状态下产生的新的、增大的内力分布,以便评估结构的安全性和可靠性。
本文将介绍混凝土结构塑性内力重分布的原因、分析方法和影响因素。
混凝土结构的塑性内力重分布是由于材料的非线性特性造成的。
在超过一定荷载时,混凝土开始发生塑性变形,即产生非弹性变形,而钢筋的应变、应力仍保持线性关系。
塑性变形导致混凝土的初始刚度降低,结构的整体刚度减小,从而引起内力的重分布。
混凝土结构塑性内力重分布的分析方法主要有弹塑性方法和塑性铰模型。
弹塑性方法是将结构视为由弹性组件和塑性组件组成的复杂体系,根据材料的特性和结构的几何特性进行计算。
塑性铰模型则将结构的塑性变形局限于一些关键节点,通过模拟塑性铰的形成和发展来分析内力重分布。
影响混凝土结构塑性内力重分布的因素有很多,主要包括荷载大小、结构刚度、混凝土与钢筋的性质、构造形式等。
荷载大小是影响塑性内力重分布的主要因素之一,荷载越大,塑性内力的重分布越显著。
结构刚度也是一个重要的因素,刚度较小的结构更容易发生塑性内力重分布。
混凝土和钢筋的性质也会影响塑性内力重分布,混凝土的抗压性能和钢筋的屈服强度越高,塑性内力重分布越小。
构造形式也会对塑性内力重分布产生一定影响,比如梁柱节点的构造形式和柱子与梁之间的协调性。
混凝土结构塑性内力重分布的分析对于结构的设计和安全评估非常重要。
通过分析塑性内力重分布,可以确定结构在破坏状态下的内力分布,为结构的抗震设计提供依据。
此外,通过分析塑性内力重分布,可以评估结构在破坏状态下的承载能力和安全性,为结构的加固设计提供指导。
综上所述,混凝土结构塑性内力重分布分析是一项重要的研究工作,对于结构的设计和安全评估具有重要意义。
通过深入研究塑性内力重分布的原因、分析方法和影响因素,可以为混凝土结构的设计和加固提供指导,并提高结构的安全性和可靠性。
混凝土构件可采用考虑塑性内力重的分布方法混凝土构件是现代工程中常用的建筑结构之一,其使用范围广泛,例如建筑物的柱、梁、墙等部分均采用混凝土构件。
然而,在混凝土构件的设计与施工过程中,存在着一些问题,这些问题可能会导致结构的安全性与稳定性受到影响。
而本文则将讨论混凝土构件可采用考虑塑性内力重的分布方法,以解决这些问题,提高结构的可靠性与稳定性。
1.混凝土构件设计的问题混凝土构件的设计本质上是一个力学问题,其设计目的是保证结构在负载下的安全性与稳定性,以避免结构倒塌或出现安全问题。
而在混凝土构件的设计过程中,常出现一些问题,如下所述:1.1.难以确定内力分布混凝土构件在负载下会产生一定的内力,包括剪力、弯矩等。
而这些内力的分布在设计过程中是需要确定的,以保证结构的安全性。
然而,由于混凝土的复杂性以及结构的不确定性,在实际设计中难以准确确定内力。
1.2.剪力问题在混凝土构件的设计中,剪力问题是一个常见的难题。
传统的设计方法往往会忽略富有塑性的内力分布,导致结构无法充分地利用其抗扭强度。
1.3.弯矩问题弯矩问题是混凝土构件设计中的另一难题。
在考虑弯矩分布时,传统设计方法会假设弯矩沿整个构件距离均匀分布。
然而,这种假设常常无法准确反映实际情况,导致结构的安全性受到影响。
综上所述,混凝土构件在设计与施工过程中存在着一些问题,需要寻找更好的解决方法,以提高结构的可靠性与稳定性。
2.采用塑性内力重的分布方法解决问题为了解决混凝土构件设计中的问题,可以采用考虑塑性内力重的分布方法。
这种方法将结构的构造和材料的塑性特性等因素纳入考虑,可以更好地反映结构内部的实际情况,从而提高结构的可靠性与稳定性。
2.1.塑性内力重的分布方法简介塑性内力重的分布方法是一种新颖的设计方法,它将结构的构造、材料的塑性特性、复杂的负载情况等因素纳入考虑,以使结构更加准确地反映实际情况。
这种方法采用塑性理论,以塑性反力与荷载相平衡为基本原理,通过分析塑性内力,确定结构的扭矩和剪力分布。
钢筋混凝土塑性铰在建筑结构领域,钢筋混凝土塑性铰是一个十分重要的概念。
要理解它,我们首先得从钢筋混凝土结构的基本特性说起。
钢筋混凝土,顾名思义,是由钢筋和混凝土这两种材料共同组成的结构。
混凝土具有抗压性能好的特点,但抗拉性能较差;而钢筋则具有良好的抗拉性能。
将它们结合在一起,就形成了一种既能抗压又能抗拉的复合材料结构。
在正常使用情况下,钢筋混凝土结构处于弹性阶段,也就是说,当外力去除后,结构能够恢复到原来的形状和尺寸。
但当外力逐渐增大,超过一定限度时,结构中的某些部位就会进入塑性阶段。
而塑性铰,就是在这个过程中出现的一个关键概念。
简单来说,塑性铰就是结构在受力过程中,某个部位由于塑性变形的集中而形成的类似于铰的区域。
想象一下,一根钢筋混凝土梁在承受逐渐增大的荷载时。
起初,梁的整个截面都在协同工作,共同抵抗外力。
但随着荷载的增加,梁的某个部位会首先达到其承载能力的极限,开始产生较大的塑性变形。
这个部位就形成了塑性铰。
塑性铰的出现,使得结构的内力分布和变形方式发生了显著的变化。
在塑性铰形成之前,结构的内力分布是按照弹性理论计算的;而塑性铰形成之后,内力会在塑性铰处重新分布,从而使得结构能够继续承受更大的荷载。
那么,塑性铰到底有哪些特点呢?首先,塑性铰具有一定的转动能力。
这意味着在塑性铰处,结构可以发生一定程度的转动,从而适应外力的作用。
这种转动能力对于结构的抗震性能至关重要。
在地震等动力作用下,结构通过塑性铰的转动来消耗能量,减轻地震对结构的破坏。
其次,塑性铰处的弯矩值是固定的。
也就是说,一旦塑性铰形成,无论外力如何变化,塑性铰处的弯矩都保持不变。
这是因为塑性铰处的材料已经达到了极限强度,无法再承受更大的弯矩。
再者,塑性铰的形成是一个逐渐发展的过程。
它不是突然出现的,而是随着塑性变形的逐渐积累而形成的。
在这个过程中,结构的性能会逐渐发生变化,从弹性阶段过渡到塑性阶段。
了解了塑性铰的特点,我们再来看看它在结构设计中的作用。
【专业知识】连续梁按考虑塑性内力重分布的计算【学员问题】连续梁按考虑塑性内力重分布的计算?【解答】考虑塑性内力重分布的计算法充分考虑了材料的塑性性质和非线性关系,解决了弹性计算法的不足(几个相关概念)。
1.塑性铰混凝土受弯构件的塑性铰是其塑性分析中的一个重要概念。
由于钢筋和混凝土材料所具有的塑性性能,使构件截面在弯矩作用下产生塑性转动。
塑性铰的形成是结构破坏阶段内力重分布的主要原因。
2.内力重分布内力重分布主要发生于两个过程。
第一过程是在裂缝出现到塑性铰形成以前,由于裂缝的形成和开展,使构件刚度发生变化而引起的内力重分布;第二过程发生于塑性铰形成后,由于铰的转动而引起的内力重分布。
3.考虑塑性内力重分布进行计算的基本原则(1)为了防止塑性内力重分布过程过长,致使裂缝开展过宽、挠度过大而影响正常使用,在按弯矩调幅法进行结构设计时,还应满足正常使用极限状态验算,并有保证内力重分布的专门配筋构造措施。
(2)试验表明,塑性铰的转动能力主要取决于纵向钢筋的配筋率、钢筋的品种和混凝土的极限压应变。
(3)考虑内力重分布后,结构构件必须有足够的抗剪能力,否则构件将会在充分的内力重分布之前,由于抗剪能力不足而发生斜截面的破坏。
4.弯矩调幅法计算的一般步骤(1)用线弹性方法计算在荷载最不利布置条件下结构控制截面的弯矩最大值;(2)采用调幅系数β降低各支座截面弯矩,即支座截面弯矩设计值按下式计算:M=(1?β)Me(3)按调幅降低后的支座弯矩值计算跨中弯矩值;(4)校核调幅以后支座和跨中弯矩值应不小于按简支梁计算的跨中弯矩设计值的1/3;(5)各控制截面的剪力设计值按荷载最不利布置和调幅后的支座弯矩,由静力平衡条件计算确定承受均布荷载的等跨连续梁、板的计算在均布荷载作用下,等跨连续梁、板的内力可用由弯矩调幅法求得的弯矩系数和剪力系数按下式计算M=αM (g+q)l02V=αV(g+q)ln当等跨连续梁上作用有间距相同、大小相等的集中荷载时,各跨跨中和支座截面的弯矩设计值可按下式计算:M=ηαM(G+Q)l02V=ηαV(G+Q)ln6.用调幅法计算不等跨连续梁、板(1)不等跨连续梁①按荷载的最不利布置,用弹性理论分别求出连续梁各控制截面的弯矩最大值Me;②在弹性弯矩的基础上,降低各支座截面的弯矩,其调幅系数β不宜超过0.2;在进行正截面受弯承载力计算时,连续梁各支座截面的弯矩设计值可按下列公式计算:当连续梁搁置在墙上时:M=(1?β)Me当连续梁两端与梁或柱整体连接时:M=(1?β)Me?V0b/3③连续梁各跨中截面的弯矩不宜调整,其弯矩设计值取考虑荷载最不利布置并按弹性理论求得的最不利弯矩值;④连续梁各控制截面的剪力设计值,可按荷载最不利布置,根据调整后的支座弯矩用静力平衡条件计算,也可近似取考虑活荷载最不利布置按弹性理论算得的剪力值。
塑性铰的定义及概念1、适筋梁(或柱,当主要是梁)受拉纵筋屈服后,截面可以有较大转角,形成类似于铰一样的效果.称作塑性铰。
2、塑性铰是一种特殊的铰,它能承受一定方向的弯矩,这是它区别于一般铰最本质的特征.在抗震设计中,做到强柱弱梁就是为了保证让梁出现塑性铰,此时梁的变形较大,但是还能受力。
塑性铰对抗震设计来说,是一个重要的概念,因为在塑性铰形成的过程中能吸取大量的地震能量,所以在设计中恰到好处地设计塑性铰形成的位置(比如在梁端而不是柱),可有效降低震害,不至于出现迅速倒塌的后果(满足抗震设防要求)3、塑性铰与一般理想铰的区别在于:塑性铰不是集中在一点,而是形成一小段局部变形很大的区域;塑性铰为单向铰,仅能沿弯矩作用方向产生一定限度的转动,而理想铰不能承受弯矩,但可以自由转动;塑性铰在钢筋屈服后形成,截面能承受一定的弯矩,但转动能力受到纵筋配筋率、钢筋种类和砼极限压应变的限制。
配筋率越大或截面相对受压区高度越大,塑性铰的转动能力却越小。
对于直接承受动荷载的构件,以及要求不出现裂缝或处于侵蚀环境等情况下的结构,不应采用考虑塑性内力充分布的分析方法.《高规》5.23.3条指出,在竖向作用下,可考虑框架梁端塑性变形内力重分布,对梁端负弯矩乘以调幅系数进行调幅。
为什么要进行支座负弯矩调幅呢?弯矩调幅来源于受力全过程和截面的塑性特性。
要理解弯矩调幅首先要知道塑性铰的概念,塑性铰主要来源于钢筋屈服以及混凝土塑性变形所产生的塑性,它的力学特征是在截面所承受的弯矩不变的情况下有一定的转动能力,(类似于铰,区别在于铰不能承受弯矩,而塑性铰可以承受弯矩)。
塑性铰的的出现导致了连续梁的内力重分布,负弯矩的弯矩保持不变,而跨中弯矩增大,最终跨中也达到极限承载力而破坏!所以考虑塑性内力重分布的受力过程是:第一阶段:首先荷载较小,跨中支座弯矩线形增加,支座弯矩大于跨中弯矩(支座弯矩始终是大于跨中弯矩的)。
随着荷载增大,支座达到承载能力极限,形成塑性铰。