[科普中國]-塑性鉸

塑性鉸就是認(rèn)為一個結(jié)構(gòu)構(gòu)件在受力時出現(xiàn)某一點(diǎn)相對面的纖維屈服但未破壞，則認(rèn)為此點(diǎn)為一塑性鉸，這樣一個構(gòu)件就變成了兩個構(gòu)件加一個塑性鉸,塑性鉸兩邊的構(gòu)件都能做微轉(zhuǎn)動。就減少了一個約束。計(jì)算時內(nèi)力也發(fā)生了變化,當(dāng)截面達(dá)到塑性流動階段時，在極限彎矩值保持不變的情況下，兩個無限靠近的相鄰截面可以產(chǎn)生有限的相對轉(zhuǎn)角，這種情況與帶鉸的截面相似。

基本介紹因此，當(dāng)截面彎矩達(dá)到極限彎矩時，這種截面稱為塑性鉸。塑性鉸與普通鉸的相同之處是鉸兩邊的截面可以產(chǎn)生有限的相對轉(zhuǎn)角。

“塑性鉸”與“結(jié)構(gòu)鉸”的區(qū)別結(jié)構(gòu)鉸：用來連接兩個固體，并允許兩者之間做轉(zhuǎn)動的連接，傳遞剪力和軸力，不傳遞彎矩。

鉸鏈可能由可移動的組件構(gòu)成，或者由可折疊的材料構(gòu)成。最常見的是門窗上安裝的鉸鏈.

1）塑性鉸的存在條件是因截面上的彎矩達(dá)到塑性極限彎矩，并由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)該截面上的彎矩小于塑性極限彎矩時，則不允許轉(zhuǎn)動。因此，塑性鉸可以傳遞一定的彎矩，而在結(jié)構(gòu)鉸中彎矩為零，不能傳遞彎矩。

2）結(jié)構(gòu)鉸為雙向鉸，即可以在兩個方向上產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，而塑性鉸的轉(zhuǎn)動方向必須與塑性彎矩的方向一致，不允許與塑性鉸極限彎矩相反的方向轉(zhuǎn)動，否則出現(xiàn)卸載使塑性鉸消失。所以塑性鉸為單向鉸。

塑性鉸理論在實(shí)際工程中的應(yīng)用塑性鉸是與理想鉸相比較而言，理想鉸不能承受彎矩，而塑性鉸能夠承受彎矩，其值即為塑性鉸截面的極限彎矩。對于超靜定結(jié)構(gòu)，由于存在多余聯(lián)系，某一截面的縱向鋼筋屈服，即某一截面出現(xiàn)塑性鉸并不能使結(jié)構(gòu)立即成為破壞結(jié)構(gòu)，還能承受繼續(xù)增加的荷載.當(dāng)繼續(xù)加荷時，先出現(xiàn)塑性鉸的截面所承受的彎矩維持不變，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，沒有出現(xiàn)塑性鉸的截面所承受的彎矩繼續(xù)增加，直到結(jié)構(gòu)形成幾何可變機(jī)構(gòu)。這就是塑性變形引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，塑性鉸轉(zhuǎn)動的過程就是內(nèi)力重分布的過程。根據(jù)超靜定結(jié)構(gòu)塑性鉸的以上特性，可以解決工程中遇到的一些具體問題。

塑性鉸的受力特征由圖1 可以看出，隨著荷載的增加，鋼筋達(dá)到屈服，此時，截面的承載能力雖然仍能有所提高，但相應(yīng)的曲率增

長非常迅速(如圖中的水平區(qū)段)。這意味著在截面承載能力增長不大的情況下，相對轉(zhuǎn)角在此點(diǎn)出現(xiàn)急劇的增長。此時該截面相當(dāng)于一個能轉(zhuǎn)動的鉸，對這一塑性變形集中發(fā)生的區(qū)域，在桿系結(jié)構(gòu)中稱為塑性鉸。塑性鉸與理想鉸不同，表現(xiàn)在：①塑性鉸不是集中于一點(diǎn)，而是形成在一定的范圍，只是為了簡化，在計(jì)算上通常認(rèn)為集中于一個截面；②理想鉸不能承受彎矩，而塑性鉸能夠承受彎矩，其值即為截面的極限彎矩；③塑性鉸只能沿彎矩作用方向發(fā)生單向轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動能力受到縱向鋼筋配筋率和混凝土極限壓應(yīng)變的限制，即塑性鉸的長度、轉(zhuǎn)角具有一定限值。但是，由于梁端彎矩的減小，使塑性鉸在柱邊梁端形成，常引起以下3 個問題：

(1)梁端塑性鉸的形成，常使非彈性變形伸入節(jié)點(diǎn)域，減弱了梁對柱節(jié)點(diǎn)域混凝土的約束，從而降低了節(jié)點(diǎn)的抗剪和有效剛度。

(2)為了限制節(jié)點(diǎn)內(nèi)強(qiáng)度和剛度的降低程度，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)需配置高配筋率的橫向鋼筋，或在節(jié)點(diǎn)內(nèi)配置斜向交叉鋼筋。

(3)柱邊梁端的破壞，可能使節(jié)點(diǎn)同時破壞。1

橋墩塑性鉸長度確定現(xiàn)有的橋墩塑性鉸長度公式絕大多數(shù)都是在Park 和Paulay 提出的墩頂位移計(jì)算模型式基礎(chǔ)上推導(dǎo)而來的。如果橋墩高度L、塑性位移Δp和塑性曲率φp已知，就可由式( 1) 導(dǎo)出相應(yīng)的塑性鉸長度，其表達(dá)式如下

( 1)

因此，確定試驗(yàn)塑性鉸長度就轉(zhuǎn)化為如何確定試驗(yàn)橋墩的塑性曲率和塑性位移。本文的試驗(yàn)塑性鉸長度也將由式( 1 )導(dǎo)出，應(yīng)該注意的是，墩頂極限位移Δu包含了彎曲變形、剪切變形和縱筋滑移變形等三部分的貢獻(xiàn)；故用式( 1) 計(jì)算試驗(yàn)塑性鉸長度時，隱含了將剪切變形和縱筋滑移變形對墩頂位移的貢獻(xiàn)轉(zhuǎn)化為等效彎曲變形的假定。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)