塑性铰在高层建筑结构抗震中的计算分析与应用

科技通报　第２９卷第１０期　Ｖ０１．２９　Ｎｏ．１０　２０１３年ｌＯ月　ＢＵＬＬＥＴＩＮ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　Ｏｃｔ．２０１３　塑性铰在高层建筑结构抗震中的计算分析与应用　杨露江　，陈　功　，李华东　（１．成都纺织高等专科学校，成都６１１７３１；２．四川师范大学，成都６１０１０１）　摘要：首先简述建筑结构塑性铰的定义及性质；其次将塑性铰与理论铰作理论对比分析，并利用　ＳＡＰ２ｏｏ　Ｉ入一例单跨简支梁，分别在简支梁的跨中截面定义塑性铰和理论铰进行有限元分析，证明理　论对比分析的结果；最后利用ＳＡＰ２０００对一栋１０层建筑结构进行静力弹塑性Ｐｕｓｈｏｖｅ航震分析，得到其　塑性铰的发展图，找出结构容易出现塑性铰的抗震薄弱部位，提出结构设计措施、局限性和对未来的展　望。　关键词：塑性铰；理论铰；对比；静力弹塑性Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析；薄弱部位；结构设计措施　中图分类号：ＴＵ３　１３．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—７１　１９（２０１３）１０—０１９２—０４　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｌａｓｔｉｃ　Ｈｉｎｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｈｉｇｈ－Ｒｉｓｅ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｓｅｉｓｍｉｃ　Ｙａｎｇ　Ｌｏｕｊｉａｎｇ　，Ｃｈｅｎ　Ｇｏｎｇ　，Ｌｉ　Ｈｕａｄｏｎｇ　（１．Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１１７３１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１０１０１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｎａｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｈｉｎｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，　ｈｔｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｈｉｎｇｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅｏｒｙ　ｈｉｎｇｅ。ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅｉｒ　ｎａｔｕｒｅ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｇｉｖｅ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　Ｓｉｎｇｌｅ　ｓｐａｎ　ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｅａｍ，ｗｅ　ｉｆｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｓｉｍｐｌｙ　ｓｕｐｐｏｓｅｄ　ｂｅａｍ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｈｉｎｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｙ　ｈｉｎｇｅ　ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ　ａｐｐｅａｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｉｄｓｐａｎ　ｓｅｃｔｉｏｎ，ｒｅｓｕｌｆｌｙ　ｉｔ　ｃｏｕｌｄ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅ　ｒｅａｌｉｚｅ　ａ　ｓｔａｔｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ　ｐｕｓｈｏｖｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｏ　ａ　１０－ｌａｙｅｒ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　ＳＡＰ２０００　ｐｒｏｇｒａｍ，ｒｅｓｕｈｌｙ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｈｉｎｇｅ　ｄｅｖｅｌｏｐ—　ｍｅｎｔ　ｆｉｇｕｒｅ　ｉｓ　ａｒｉｓｉｎｇ，８０　ｔｈｅ　ｗｅａｋ　ｒｅｇｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｆｏｕｎｄ　ｏｕｔ，ｗｅ　ｓｈｏｕｌｄ　ｓｕｇｇｅｓｔ　ｔｈｅ　ｗａｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ，ａｌｓｏ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ，ｆｕｔｕｒｅ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ａｎｄ　ｅｎｄｉｎｇ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｌａｓｔｉｃ　ｈｉｎｇｅ；ｔｈｅｏｒｙ　ｈｉｎｇｅ；ｃｏｍｐａｒｅ　ｗｉｔｈ；ｓｔａｔｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ　ｐｕｓｈｏｖｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｔｈｅ　ｗｅａｋ　ｒｅｇｉｏｎ；ｔｈｅ　ｗａｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　理论试验表明，当钢筋混凝土梁的某个截面达到　１．１截面受力对比分析　承载力极限状态时，它所能承担的弯矩（塑性铰极限弯　塑性铰能够承受一定的弯矩（塑性铰极限弯矩），　矩）将保持不变，截面中钢筋应力达到屈服强度后保持　并只能沿弯矩作用方向（垂直于截面）做微小转动，但　不变，但由于钢筋的塑性变形作用，变形急剧增加，截　是理论铰则不能承受弯矩（截面弯矩为０），并可以自由　面发生屈服，于是梁将绕该截面产生转动，梁中出现一　转动（结构平面内或平面外）。　个类似的铰，这个铰实际是梁中塑性变形集中出现的　１．２结构体系与机构体系的转换　区域，称为塑性铰。　建筑物中由若干构件连接而成的能承受荷载的平　面或空间体系称为建筑结构，为几何不变的静定结构　１　塑性铰和理论铰的理论对比分析　（自由度为０，无多余约束）或超静定结构（自由度小于　和有限元举例证明　０，具有多余约束）。然而机构是指两个或两个以上的构　收稿日期：２０１３—０４—２７　作者简介：杨露江，副教授，院长，研究方向：建筑结构、施工管理方向。　９４　科技通报　第２９卷　窜８　譬…串　串　事　事　窜　一￥　串　串　一　ｉ　』　ｊ　｛　｛　Ｊ　ｊ　ｊ　上　　ｊ．　‘　｝１　　ｆ　』　ｌ：上　±　ｆ　ｉ　ｄ　Ｉｊ　　一　丁　ｌ　ｌｆ．＿　　｝　ｆ　上　ｆ　ｆ　～ｆ　上　』　７　｛】妇　　一　～　／　～　”＿　ｉ７　　｝　ｆ　…　｛　Ｓｔｅｐ　１　Ｓｔｅｐ．２　Ｓｔｅｐ　３　Ｓｔｅｐ　４　图５塑性铰发展图　Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｈｉｎｇｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　表１层间位移和层问位移角　Ｔａｂｌｅ　１　Ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ａｎｇｌｅ　楼层　层高　顶点位移　层问位移　层间位移角　编号ｈ／ｍｍ　Ｕｘ／ｍｍ　Ａ　Ｕｘ／ｍｍ　Ａ　Ｕｘ／ｈ　ｌ　２８００　１２．２３１　１２．２３ｌ　１，２２８．９２６　２　２８０ｏ　３２．８９２　２Ｏ．６６１　１／１３５．５０１　３　２８ｏｏ　５４．４５３　２１．５６１　１／１２９．８６４　４　２８００　７５．６２４　２１．１７１　１／１３２．２５６　５　２８００　９５．３８９　１９．６７５　１１１４２．３１２　６　２８ｏ０　１０５．２３０　．　９．８４Ｉ　ｌ，２８４．５２４　７　２８００　ｌ１８．９１２　１３．６８２　１１２０４．４６８　８　２８００　１２５．６３４　６．７２２　１，４１６．５４３　９　２８００　１３２．５６８　６．９３４　１／４Ｏ３．８０７　ｌＯ　２８００　１３８．５６２　５．９９４　１／４６７．１３３　跨中截面的变形不断增大，其塑性铰的颜色也在不断　分组为第一组，场地特征周期为０．３５　Ｓ。　变化，从而证明了截面随着荷载不断增加而产生塑性　２．２建模要点　铰的理论。　进行静力弹塑性Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析时必须定义框架单　（２）当在单跨简支梁的跨中截面定义理论铰时，系　元的塑性铰，指定梁单元为Ｍ３铰，指定柱单元为ＰＭＭ　统在计算运行过程中会自动出现“Ｗａｒｎｉｎｇ、Ｅｒｒｏｒ”等警　铰，并定义塑性铰的长度。在图２的步骤中不断设置Ｐ一　告符号，无法运行，说明该体系为几何可变的机构，无　△效应的迭加工况。　法完成结构计算。　２．３分析结果（表１、图５所示）　２．４建筑结构理论与模型计算的分析结论　２　塑性铰在高层建筑结构抗震中的　（１）由于结构设计一般遵循“强柱弱梁”的原则，　计算分析　楼板将荷载传递给（次）梁，（主）梁再将荷载传递给柱，　柱再将所有荷载传递给基础，所以在结构设计中柱的　２．１工程概况　刚度应大于梁的刚度，根据刚度分配原则，柱所承受的　利用ＳＡＰ２０００建立一栋１Ｏ层楼的框架模型，层高　作用大于梁或板。在现浇钢筋混凝土单（双）向肋形楼　均为２．８　ｍ，柱网为６　ｒｅｘ６　ｍ，砼强度为Ｃ２５，ＥＳ＝３００００　盖中，按照多跨连续梁进行计算，梁柱节点处或梁梁节　ＭＰａ，１５０　ｍｍ厚现浇楼板，框架梁、柱的主筋均为　点处（主梁与次梁交接处）均简化为连续梁的支座，多　ＨＲＢ３３５级（梁截面３００ｍｍｘ５５０ｍｍ，柱截面６００ｍｍ￣　跨连续梁在均布荷载作用下，其跨中部位出现正弯矩　６００ｍｍ），箍筋为ＨＰＢ２３５级。活载按照３．５　ｋＮ／ｍ　设定；　（底部受拉，上部受压），而支座部位出现负弯矩一　假定按７。（０．２０　ｇ）抗震设防，场地类别为Ⅱ类，设计地震　第ｌ０期　杨露江等．塑性铰在高层建筑结构抗震中的计算分析与应用　１９５　（上部受拉，底部受压）。此外，在柱底部也是剪力　级会增大施工难度（比如钢筋加工、钢筋绑扎、钢筋焊　１Ｕ　接等）以及造成工程成本不必要的浪费。在这里顺便指　和弯矩受力较大处，所以综上理论得到梁柱节点处、梁　出，在施工中若供应的钢筋品种、级别或规格与设计要　梁节点处、柱的底部为建筑结构薄弱部位。　（２）从１０层钢筋混凝土框架模型分析结果可得　求不符时，必须在征得设计单位书面同意的情况下方　知，随着水平作用力（Ｐｕｓｈｏｖｅｒ）的逐步迭加，梁端部、柱　可进行钢筋代换，钢筋代换的原则有等强度代换（不同　底部等节点和底部最先出现了塑性铰，所以为结构薄　级别钢筋的代换，按照抗拉设计强度相等的原则进行　弱部位，从而证明了建筑结构理论：震害严重部位为梁　代换）和等面积代换（相同级别钢筋的代换，按照面积　柱节点处、梁梁节点处、柱的底部，应该特别注意这些　相等的原则进行代换）。　节点处的锚固钢筋外形、锚固弧度、锚固长度、锚固方　（４）型钢混凝土可大大提高结构构件的强度与刚　式（直锚、弯锚、预埋件锚固）。　度，还可以缩短施工工期，但势必造成工程投资的浪费　（３）图５表示了结构达到性能点时的塑性铰发展　和施工难度的增大（梁柱节点预埋件焊接施工），型钢　混凝土一般应用于大型公共建筑结构中。　图。在结构达到性能点之前塑性铰主要依次出现在第１　层～第７层的梁端部和第１层的柱底根部；从塑性铰的颜　色可以判断，这些塑性铰的变形处于Ｂ—ＩＯ区段，即属　４未来展望　于可尽快修复使用的范畴。在我国抗震设计中，满足了　“大震不倒，中震可修，小震不坏”的三水准性能要求。　本文对结构设计所采取的措施及其局限性进行了　根据《建筑抗震设计规范（ＧＢ　５００１１－２００１））），结构的弹　理论实践分析，但在实际民用住宅或者建筑结构设计　塑性层间位移角小于规范规定的弹塑性层间位移角限　中，多采用中国建筑科学研究院开发的ＰＫＰＭ程序。然　值１／５０，结构的性能满足罕遇地震需求。　而在高等院校或科研机构对结构分析却多采用美国　ＣＳＩ公司与北京金土木公司联合开发的ＳＡＰ２０００、　３结构设计措施　ＥＴＡＢＳ中文程序。就建模和出图的操作上来说，ＰＫＰＭ　具有很大优越性；但就有限元分析来看，ＳＡＰ２０００、　ＥＴＡＢＳ占有很多优势。设想开发出具备上述功能兼容　３．１结构设计措施　的集结构分析、设计于一体的程序，亟待科研工作者的　建议在结构计算中梁、柱容易出现塑性铰的部位，　努力研发和未来科学水平进步的提高。　适当增大截面尺寸、增大纵向受力钢筋的直径（或强度　等级）、加密箍筋间距，或者利用型钢混凝土来提高构　件的强度、刚度和延性，防止结构产生足够多的塑性铰　５　结束语　而变为机构。　３．２结构设计措施的局限性分析　本文在理论教学和计算机应用方面都证明了塑性　铰和普通铰的区别，结构薄弱部位的出现，并对结构模　（１）增大结构构件截面尺寸，过于太大会造成工　型进行了抗震分析，在作用力不断加载的过程中，结构　程造价浪费以及现场施工困难，并造成配筋相应增大。　某些薄弱截面的变形、应力逐渐增大，钢筋发生屈服，　（２）增大纵向受力钢筋的直径，也是有相对局限　从而产生塑性铰。希望本文在高校理论教学的讲授过　性的，在《钢筋混凝土结构》理论中，有少筋梁、适筋梁、　超筋梁的概念。其中适筋梁是延性破坏，破坏时具有明　程和建筑结构计算机分析应用中具有一定指导作用。　显征兆，结构设计时宜采用适筋梁设计。但是少筋梁和　超筋梁是脆性破坏，破坏的时候无明显征兆，结构设计　参考文献：　【１】　中华人民共和国国家标准，建筑抗震设计规范ＧＢ　应避免设计成少筋梁和超筋梁。另外，纵向钢筋的直径　５００１ｉ－２ｏｏ１［ｓ］．北京：中国建筑工业出版社．　也与受弯构件的裂缝宽度有关系。理论试验证明，当构　【２】　汪梦甫，周锡元．高层建筑结构抗震弹塑性分析方法及　件内受拉纵筋截面相同时，采用细而密的钢筋，则会增　抗震性能评估的研究［Ｊ】，土木工程学报，２００３，１　１．　大钢筋表面积，因而使粘结力增大，裂缝宽度变小。所　【３】　钱稼茹，罗文斌．静力弹塑性分析—基于性能／位移抗震　以，增大纵向受力钢筋的直径也应考虑结构设计中的　设计的分析工具［Ｊ】．建筑结构学报，２０００，６．　破坏形式和控制裂缝宽度等因素。　［４１　陈功．静力弹塑性Ｐｕｓｈｏｖｅｒ分析方法在高层建筑结构中　（３）增大纵向受力钢筋的强度等级，一般工程上　的应用［Ｄ】．成都：西南交通大学．　的主筋采用ＨＲＢ３３５级、ＨＲＢ４００级钢筋，再提高强度等　【５】　徐速，徐冠立，孙传敏，等．成都地区主要粘性土壤的矿　物学特征【Ｊ】．科技通报，２０１２，２８（１０）：７—１０．