三维塑性铰位移空间任意点性能状态确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及塑性铰性能判定，具体指一种三维塑性铰位移空间任意点性能状态确 定方法，本方法也能够用于现有的一维塑性铰分析，属于塑性铰性能评价技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前通常使用平面模型来分析结构的弹塑性，塑性铰通常也为一维的弯曲铰，对 其性能评价也用一维的延性概念，如图1所示。图1为简单的一维的力一变形曲线，Fy和Dy 是处于初始屈服状态的力和变形，在处于D1状态时的延性为Di/Dy。
[0003] 然而，随着计算机和计算方法的发展，结构弹塑性分析也进入三维时代，塑性铰也 随之为三维铰。三维铰模型再也不可能像一维铰那样可以画出一维关系曲线（弯曲铰为弯 矩-转角曲线），只能用力空间、位移空间、力和位移空间的关系来描述。力空间为轴力-弯 矩1-弯矩2,需要给出初始屈服面和后继屈服面，位移空间为轴向位移-转角1-转角2,每 个点的位移为弹性位移和塑性位移之和，力和位移空间的关系为塑性流动法则。
[0004] 从以上的三维铰模型可以看出，用传统的延性评价方法来评价现有的三维塑性铰 是无法操作的，因为传统的评价方法面临的是一个初始屈服点（根据分析工作者定义），而 三维塑性铰会有无数个初始屈服情况，每个初始屈服情况在位移空间有一个点与之对应， 这样无数个初始屈服位移点会形成一个初始位移屈服面。而结构的弹塑性反应会在位移空 间的任意一个点，每个点的延性系数显然要根据初始位移屈服面来评价。为此需要探宄新 的延性评价方法，但必须能够将传统的延性评价方法包含之内，也就是说，传统的延性评价 方法为新的延性评价方法的一个特例。同时，位移空间上的任意点其性能状态如何，是处于 其可承受的受力状态并具有可再加载外力的能力，还是处于破坏临界点或者已经破坏，或 者超过其正常承受力正趋于破坏状态，在目前尚难以确定，这将直接影响结构的设计、对结 构的有效使用及受力分析。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种三维塑性铰位移空间 任意点性能状态确定方法，通过本方法，可以很容易确定塑性铰所处位移空间上任意点的 性能状态，用于实际结构在某种荷载作用下性能的判断，指导结构设计，特别适用于结构抗 震方面的设计和分析。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0007] 三维塑性铰位移空间任意点性能状态确定方法，步骤如下，
[0008] 1)确定三维塑性铰的初始位移屈服面；
[0009] 2)确定三维塑性铰位移性能面，该位移性能面代表了三维塑性铰达到某种性能状 态所对应的位移面，该某种性能状态由用户根据实际情况确定；
[0010] 3)在初始位移屈服面内选择一点0,三维塑性铰位移空间上任意一点M与点O相 连形成一条直线，该直线与初始位移屈服面相交于一点R，与位移性能面相交于一点Q，定 义MR/QR为修正需能比；当点M在初始位移屈服面内时，MR为负，反之为正；根据修正需能 比大小即可按下述判断规则确定该位移空间任意点M的性能状态，
[0011] 当修正需能比为1，点M在位移性能面上；
[0012] 当修正需能比大于1，点M在位移性能面外；
[0013] 当修正需能比小于1大于0,点M在位移性能面内与初始位移屈服面之间；
[0014] 当修正需能比等于0 ;点M在初始位移屈服面上；
[0015] 当修正需能比小于0,点M在初始位移屈服面内。
[0016] 所述三维塑性铰为描述结构构件的塑性状态，其中混凝土构件位移性能面可按如 下方法确定，以整个截面中混凝土受压应变超过w%。的面积达到整个截面面积的x%作为 达到该状态的指标，该指标称为应变面积指标。
[0017] 所述三维塑性铰位移性能面包含能力面，能力面按如下方法确定，塑性铰破坏时 所对应的性能状态面。
[0018] 所述三维塑性铰适用于钢筋混凝土结构、钢结构及钢混结构，其初始位移屈服面 的确定根据不同的构件类型使用不同的方法，其中钢筋混凝土构件的屈服面确定较为复 杂，简单的可以根据钢筋混凝土构件中的钢筋屈服情况确定，复杂的可以根据钢筋屈服情 况和混凝土的应变面积指标综合确定，显然后一种更为精确。
[0019] 为方便计算，所述O点为初始位移屈服面和位移性能面共同的坐标原点。
[0020] 采用本方法，可以很容易确定塑性铰所处位移空间上任意点的性能状态，用于实 际结构在某种荷载作用下性能的判断，指导结构设计，特别适用于结构抗震方面的设计和 分析。本三维塑性铰评价方法不仅仅是原一维塑性铰评价方法的扩展，更是理论上的创新 和完善。从本质上扩展了塑性铰评价理论，是一种更加具有实用性与统一性的评价方法。
【附图说明】
[0021] 图1-现有的一维塑性铰延性计算示意图。
[0022] 图2-本发明三维塑性铰延性计算模型图。
[0023] 图3-本发明三维塑性铰需能比计算模型图。
[0024] 图4-本发明三维塑性铰修正需能比计算模型图。
[0025] 图5-柱子截面四种受力情况示意图。
[0026] 图6-空间任意一点与原点连线和屈服面的交点示意图。
[0027] 图7-屈服球面其中四分之一部分示意图。
【具体实施方式】
[0028] 以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0029] 传统的评价方法面临的是一个初始屈服点（根据分析工作者定义），而三维塑性 铰会有无数个初始屈服情况，每个初始屈服情况在位移空间有一个点与之对应，这样无数 个初始屈服位移点会形成一个初始屈服位移面。而结构的弹塑性反应会在位移空间的任意 一个点，每个点的延性系数显然要根据初始位移屈服面来评价。为此，本发明对广义延性系 数做出以下定义：
[0030] 在初始位移屈服面内选择一点0,位移空间上其它任意点M与之相连形成一条直 线，直线与初始位移屈服面相交于一点R，广义延性系数为MO/RO。
[0031] 通常，选择0点需要满足以下条件：1、方便实用。2、传统的延性评价方法为新的延 性评价方法的一个特例。因此，本发明选择〇为原点，但也可以根据需要选择其它点。
[0032] 选择原点为0点时，延性系数的计算模型如图2。
[0033] 对一维塑性铰进行延性评价时，塑性铰会有唯一的延性系数，然而对于三维塑性 铰延性评价时会发现，对于不同的点，延性系数会不同，此时，比较延性系数的大小将会毫 无意义，这给三维塑性铰的性能评价带来很大的不便。因此，在三维塑性铰的评价中需要一 个性能需求与性能能力的比值。虽然，在不同的力作用方式下，在位移空间有一位移能力点 与之对应，虽然位移空间中不同点延性能力会不同，但无数个位移能力点形成的位移性能 面是确定的。参照广义延性系数的定义，给出如下的需求与能力的比值定义，简称需能比：
[0034] 在位移性能面内选择一点0,位移空间上其它任意点M与之相连形成一条直线，直 线与位移性能面相交于一点Q，需能比为M0/Q0。
[0035] 通常情况下选择原点为0点，此时需能比的计算模型如图3。
[0036] 由