重型工业厂房钢结构设计

目 录摘 要 3第一章正文 4简介 .4有侧移框架 .5弹塑性铰分析方法的精确度 .6改进塑性铰分析方法 .7轴心受力柱 .8独立梁柱结构 .11具体例子的分析 .12刚性框架 .13极限承载能力 .14荷载分布与估计的破坏模型 .16荷载作用点轨迹 .18Vogel 的六层框架 18荷载位移曲线 .18力分布与塑性铰形成 .19设计推论 .20设计建议 .22第二章参考文献 26附 录 28计算书 .28一. 荷载 .28二. pkpm 内力计算结果 28三.屋面檩条计算 .1322四. 墙梁计算 .136五.抗风柱计算 .142六.吊车梁计算 .148七屋面横向支撑计算 158八柱间支撑计算 158九. 节点设计 .160图 纸 .161致 谢 .1723摘 要本 文 讨 论 的 是 与 二 维 钢 框 架 结 构 设 计 改 进 分 析 方 法 相 关 的 若 干 使 用 问 题 。 我 们 对弹 塑 性 铰 分 析 方 法 的 精 确 度 专 门 进 行 了 检 查 ， 并 且 确 定 了 它 的 应 用 范 围 。 我 们 还 推 荐一 种 叫 做 改 进 塑 性 铰 分 析 的 方 法 ， 并 对 它 的 设 计 原 理 做 了 分 析 。 我 们 做 了 一 些 个 案 分析 ， 目 的 是 为 了 阐 述 改 进 塑 性 铰 方 法 在 预 测 独 立 构 件 强 度 和 局 部 稳 定 以 及 整 体 结 构 强度 方 面 的 精 确 性 。 同 时 ， 把 它 的 结 果 与 弹 塑 性 分 析 结 果 和 塑 性 区 分 析 结 果 的 作 出 对 比 ，从 而 评 价 了 这 个 分 析 模 型 的 性 能 。 本 文 的 目 的 是 阐 述 塑 性 铰 分 析 方 法 在 应 用 于 预 测 钢构 件 和 框 架 的 极 限 强 度 和 工 作 性 能 时 的 效 果 和 局 限 。关 键 词 ： 钢 结 构 塑 性 铰 弹 塑 性 分 析重 型 工 业 厂 房 框 架 结 构 二 阶 改 进 塑 性 铰 分 析4第一章正文简介在 一 位 学 者 的 论 文 中 （ Liew et al. 1993） 已 经 论 述 了 对 传 统 的 弹 塑 性 铰 模型 的 改 进 ， 它 描 述 了 梁 柱 的 非 弹 性 性 能 并 保 证 了 对 钢 框 架 高 级 分 析 有 足 够 的 精 确 度 。合 成 模 型 已 经 对 改 进 塑 性 铰 方 法 做 了 定 义 。 这 篇 论 文 详 细 地 评 估 了 用 来 模 拟 梁 柱 和 框架 平 面 内 强 度 性 能 的 弹 塑 性 铰 和 改 进 的 塑 性 铰 分 析 方 法 。当 前 的 基 本 问 题 是 基 于 Kanchanalai (1977) 和 Zhou et al. (1990) 所 阐述 的 有 侧 移 框 架 和 独 立 梁 柱 结 构 的 塑 性 区 分 析 方 法 的 Kanchanalai 的 著 作 中 有侧 移 框 架 的 例 子 描 述 了 框 架 结 构 中 一 系 列 非 常 典 型 的 梁 柱 特 征 。 Zhou 的 著 作 中独 立 梁 柱 结 构 的 研 究 也 提 出 了 另 外 的 基 本 点 ， 但 构 件 的 二 阶 影 响 会 比 较 大 。 任 何 分 析方 法 如 果 与 这 些 基 准 点 相 符 合 就 可 以 被 认 为 是 满 足 二 维 改 进 非 弹 性 分 析 的 。 也 就 是 说 ，分 析 模 型 可 以 以 足 够 的 精 确 度 来 表 达 梁 柱 的 强 度 从 而 单 独 的 具 体 构 件 的 承 载 力 验 算 就不 需 要 了 。一 个 全 面 的 研 究 是 由 两 个 刚 性 框 架 和 一 个 六 层 非 刚 性 框 架 组 成 的 。 对 这 些 框 架 的评 价 是 基 于 荷 载 承 载 力 设 计 的 弹 性 分 析 方 法 塑 性 铰 分 析 方 法 的 。 我 们 把 这 些 分 析 方法 得 出 的 结 果 和 框 架 完 全 塑 性 区 分 析 方 法 的 结 果 做 了 比 较 。 这 些 研 究 的 主 要 目 的 是 确定 可 以 用 于 设 计 的 塑 性 铰 分 析 方 法 的 可 靠 度 和 精 确 度 。 第 二 个 目 的 是 比 较 非 弹 性 分 析方 法 和 LRFD 弹 性 分 析 方 法 得 出 的 有 侧 移 和 无 侧 移 框 架 在 强 度 极 限 状 态 下 的 性 能 。 这些 比 较 为 非 弹 性 分 析 方 法 在 平 面 框 架 极 限 状 态 设 计 中 的 应 用 提 供 了 支 持 和 依 据 。用 于 直 接 计 算 构 件 和 系 统 强 度 的 塑 性 铰 分 析 方 法 的 适 用 范 围 已 经 得 到 确 定 。 并 且还 论 述 了 这 些 方 法 在 钢 框 架 结 构 高 级 分 析 中 的 应 用 ， 提 出 了 设 计 的 建 议 。 接 着 总 结 了本 文 的 重 点 。本 文 所 引 用 的 例 子 是 Liew（ 1992） 研 究 的 构 件 和 框 架 问 题 的 一 部 分 。 Liew的 著 作 中 的 全 部 问 题 包 括 带 有 刚 性 和 半 刚 性 连 接 的 有 侧 移 和 无 侧 移 框 架 ， 带 有 嵌 板 区变 形 的 框 架 ， 斜 柱 框 架 ， 独 立 梁 柱 ， 强 弱 轴 柱 的 工 作 性 能 。有侧移框架图 1 3 把 二 阶 弹 塑 性 铰 和 改 进 塑 性 铰 分 析 方 法 得 出 的 非 平 面 强 度 曲 线 和5Kanchanalai（ 1977） 的 塑 性 区 结 果 做 了 比 较 。 因 为 Kanchanalai 的 塑 性 区 分 析方 法 是 作 为 基 准 而 应 用 于 美 国 钢 结 构 协 会 的 LRFD 梁 柱 方 程 （ Yura 1988； Liew et al.1991） 的 发 展 中 的 ， 所 以 任 何 可 以 满 足 这 些 基 准 的 分 析 方 法 都 可 以 被 认 为是 满 足 二 维 高 级 非 弹 性 分 析 方 法 的 要 求 的 ， 从 而 不 必 验 算 单 独 的 具 体 构 件 的 承 载 能力 。图 中 同 时 给 出 了 强 轴 和 弱 轴 的 用 于 塑 性 区 分 析 方 法 的 强 度 曲 线 。 然 而 ， 对 于 塑 性铰 分 析 方 法 只 给 出 了 强 轴 的 强 度 曲 线 。 因 为 其 结 果 是 用 无 量 纲 的 形 式 表 示 的 ， 而 且 用于 强 轴 和 弱 轴 截 面 强 度 分 析 的 是 同 一 种 塑 性 强 度 曲 线 （ 例 如 用 于 零 长 度 构 件 的LRFD 梁 柱 影 响 方 程 ） ， 所 以 建 立 在 铰 分 析 基 础 上 的 弱 轴 曲 线 和 强 轴 强 度 曲 线 是 非 常相 似 的 。此 塑 性 区 分 析 方 法 对 于 无 初 始 几 何 缺 陷 的 框 架 是 通 用 的 ， 但 是 已 经 考 虑 了 初 始 应力 的 影 响 。 比 较 各 种 方 法 ， 改 进 塑 性 铰 分 析 方 法 用 的 是 只 考 虑 初 始 应 力 影 响 的 切 线 模量 。 同 样 的 ， 在 接 下 来 的 全 部 复 核 研 究 中 ， 改 进 塑 性 铰 分 析 方 法 是 利 用 了 抛 物 线 型 刚度 退 化 作 用 。 另 外 ， 图 1 3 中 给 出 了 一 条 表 示 梁 柱 构 件 初 始 弯 曲 作 用 的 曲 线 。 这条 曲 线 是 由 二 阶 分 析 得 出 的 ，6图 1. 且 的 门 式 框 架 强 度 曲 线 的 对 比3AG/0cLr其 中 考 虑 了 强 轴 的 弯 曲 和 残 余 应 力 的 影 响 （ 端 部 边 缘 取 得 最 大 压 应 力 值 0.3 ） 。yF弹塑性铰分析方法的精确度弹 塑 性 分 析 方 法 经 常 把 框 架 的 最 大 承 载 能 力 估 计 的 过 高 。 在 图 1 和 2 描 述的 门 式 钢 架 中 ， 塑 性 铰 模 型 的 强 轴 强 度 出 现 了 误 差 ， 大 约 平 均 误 差 有 9 ， 最高 的 有 20 。 对 于 图 3 中 的 斜 柱 框 架 ， 强 轴 强 度 也 估 计 的 过 高 ， 最 大 误 差 达20 。在 图 1 3 中 的 框 架 结 构 中 ， 其 弱 轴 强 度 也 被 弹 塑 性 模 型 过 高 地 估 测 。 在 这 些 例子 中 ， 建 立 在 弹 塑 性 铰 分 析 基 础 上 的 对 弱 轴 强 度 估 计 的 最 大 误 差 高 达 10 到30 。弹 塑 性 铰 模 型 是 有 可 能 过 低 估 计 弱 轴 强 度 的 。 这 体 现 在 图 1 的 框 架 例 子 中 。7这 是 因 为 现 在 用 于 弹 塑 性 铰 分 析 的 截 面 强 度 曲 线 对 于 典 型 的 相 对 于 弱 轴 的 大 边 缘截 面 的 弯 曲 是 偏 保 守 的 ， 特 别 是 当 弯 曲 和 轴 力 影 响 起 主 要 作 用 时 。Liew（ 1992） 的 研 究 说 明 对 于 那 些 矮 胖 型 和 非 常 柔 的 框 架 来 说 ， 在 各 种 轴 力 弯矩 比 下 ， 其 弹 塑 性 铰 分 析 方 法 的 结 果 和 强 轴 塑 性 区 分 析 法 的 结 果 是 相 差 无 几 的 。 这 意味 着 在 估 计 弹 性 弯 曲 或 塑 性 机 制 下 的 破 坏 荷 载 时 ， 二 阶 弹 塑 性 铰 分 析 是 有 足 够 的 精 确度 的 。 然 而 ， 对 于 图 1 3 中 的 框 架 来 说 ， 在 塑 性 铰 分 析 中 ， 在 一 系 列 弯 矩 轴 力 比下 强 轴 和 弱 轴 强 度 都 被 估 计 的 过 高 。 因 此 我 们 有 必 要 改 进 传 统 的 弹 塑 性 铰 模 型 从 而 使得 它 能 够 适 用 于 一 系 列 结 构 的 分 析 。改进塑性铰分析方法对 于 图 1 3 中 的 强 弱 轴 例 子 ， 在 一 系 列 的 弯 矩 轴 力 比 下 ， 与 塑 性 区 结 果 相 比 较 ，其 保 守 系 数 不 会 超 过 4 。 改 进 塑 性 分 析 法 用 于 图 3 的 框 架 结 构 时 精 确 度 特 别 高 ，相 比 之 下 如 果 在 这 样 的 结 构 中 用 弹 塑 性 铰 分 析 法 就 会 经 常 出 错 。 在 这 个 例 子 中 ， 如 果用 弹 塑 性 铰 模 型 分 析 弱 轴 强 度 ， 其 最 大 误 差 将 达 到 30 ， 而 如 果 用 改 进 塑 性 铰 模型 ， 其 误 差 不 超 过 1 。当 作 用 在 框 架 上 的 轴 力 非 常 大 时 ， 把 切 线 模 量 单 独 应 用 于 弹 塑 性 铰 分 析 能 够 对 强度 极 限 作 出 很 好 的 估 计 。 然 而 ， 在 中 等 量 的 轴 力 作 用 下 ， 此 模 型 对 强 度 的 估 计 就 有 些偏 高 了 。 在 这 样 一 系 列 的 轴 力 作 用 下 ， 构 件 中 附 加 的 分 散 的 塑 性 影 响 将 伴 随 着 弯 曲 作用 。 因 此 ， 把 切 线 模 量 单 独 应 用 于 弹 塑 性 铰 分 析 中 对 于 表 达 构 件 的 刚 度 退 化 是 不 够 的 ，特 别 是 当 构 件 中 的 弯 距 并 不 是 很 小 时 。 这 在 图 2 中 得 到 证 明 ， 当 轴 力 小 于0.5Py 时 ， 弹 塑 性 铰 模 型 对 强 弱 轴 强 度 都 作 出 了 过 高 的 估 计 。 对 于 这 些 例 子 ， 切 线 模量 和 二 阶 改 进 弹 塑 性 铰 分 析 的 应 用 并 不 会 改 进 强 度 估 计 ， 因 为 当 P100 时 ， 就 要 求 对 几 何 偏 心 做 出 明 确 的 模 拟 。 在 这 样 的 例 子中 ， 就 要 用 到 CRC 切 线 模 量 。23图 11. 六 层 框 架 的 弯 矩 比 较24图 12. LRFD 二 阶 弹 性 方 法 得 到 的 系 数 k 和 梁 柱 强 度 值3. 虽 然 用 于 数 据 分 析 的 刚 度 退 化 作 用 是 一 个 现 象 型 模 型 ， 但 与 塑 性 区 方 法 相 比 ，它 得 出 了 足 够 准 确 的 结 果 。4. 用 正 截 面 强 度 LRFD 曲 线 来 估 计 平 面 内 强 弱 轴 强 度 性 能 。 我 们 会 采 用 抵 抗 系数 来 减 少 塑 性 强 度 表 面 来 满 足 LRFD。 不 需 要 对 平 面 内 构 件 分 别 进 行 核 实 ， 但 是 所有 的 构 件 必 须 完 全 结 合 并 足 够 的 刚 接 以 避 免 侧 向 扭 转 屈 曲 。结 论我 们 可 以 得 出 这 样 的 结 论 ， 弹 塑 性 铰 方 法 提 供 了 一 个 对 非 弹 性 梁 柱 性 能 的 改 进的 描 述 ， 忽 略 了 可 能 的 机 械 硬 化 带 来 有 利 的 影 响 。 我 们 必 须 注 意 ， 在 实 际 的 结 构 中 应力 状 态 是 非 常 复 杂 的 。 结 构 构 件 可 能 会 留 有 大 于 三 分 之 一 屈 服 强 度 的 局 部 残 余 应 力 。在 构 件 的 连 接 中 ， 焊 接 ， 加 工 ， 安 装 方 法 和 安 装 误 差 都 会 产 生 额 外 的 局 部 应 力 。 因 为这 些 因 素 ， 大 多 数 钢 框 架 中 会 不 可 避 免 地 产 生 局 部 屈 服 ， 特 别 是 在 构 件 的 连 接 端 ， 当达 到 极 限 承 载 力 时 。 改 进 塑 性 较 模 型 比 弹 塑 性 铰 方 法 更 能 考 虑 到 这 些 影 响 。 另 外 ， 改25进 塑 性 铰 分 析 可 以 采 用 合 适 的 切 线 模 量 公 式 来 估 计 各 种 类 型 柱 子 的 轴 向 承 载 力 。这 些 规 范 方 程 通 过 大 量 的 核 准 才 得 到 的 ， 包 括 对 带 有 初 始 缺 陷 的 柱 子 的 经 验 性 的和 理 论 性 的 研 究 。 虽 然 的 等 效 值 是 基 于 合 适 的 柱 强 度 方 程 的 ， 但 是 改 进 塑 性 铰 可tE以 和 合 适 的 柱 强 度 协 调 的 很 好 。从 很 多 的 例 子 中 我 们 可 以 得 出 一 些 很 重 要 的 结 论 ， 这 些 结 论 是 关 于 传 统 的 弹 塑 性铰 和 改 进 塑 性 铰 方 法 在 分 析 非 弹 性 框 架 时 的 准 确 性 的 。1. 对 于 承 受 高 荷 载 的 框 架 构 件 ， ， 特 别 是 梁 构 件 ， 二 阶 弹 塑 性 铰 分 析 会 给 出 足够 可 靠 的 结 果 。 另 外 ， 这 个 方 法 在 估 计 框 架 在 弹 性 屈 服 状 态 或 极 限 强 度 状 态 时 的 破 坏荷 载 时 是 足 够 精 确 的 。 对 于 以 下 种 类 的 倒 塌 的 梁 柱 构 件 ， 比 起 塑 性 铰 方 法 ， 弹 塑 性 铰分 析 的 偏 危 险 的 误 差 不 超 过 4%。 单 向 弯 曲 的 梁 柱 ： 和 /或 。/0.2yP20Lr 双 向 弯 曲 的 梁 柱 ： 和 /或 。34 只 受 轴 力 作 用 的 柱 ： 。.4c 在 所 有 的 情 况 下 ， 要 求 构 件 中 的 轴 力 不 大 于 。0.85yP2. 在 本 文 所 引 用 的 一 些 例 子 中 传 统 的 塑 性 铰 分 析 方 法 表 现 并 不 理 想 。 用 塑 性 区分 析 方 法 作 为 比 较 的 标 准 ， 使 用 二 阶 弹 塑 性 铰 分 析 的 偏 危 险 的 最 大 误 差 总 结 如 下 ： 绕 强 轴 弯 曲 的 Kanchanalai 框 架 ： 误 差 为 4%21%， 当 L/r 介 于 20 与60 之 间 时 。 绕 弱 轴 弯 曲 的 Kanchanalai 框 架 ： 误 差 为 0%30%， 当 L/r 介 于 20 与60 之 间 时 。 单 向 弯 曲 的 独 立 梁 柱 ： 误 差 为 1%18%， 当 L/r 介 于 20 与 100 之 间 时 。 双 向 弯 曲 的 独 立 梁 柱 ： 误 差 为 0%17%， 当 L/r 介 于 20 与 100 之 间 时（ Liew 1992） 。 轴 心 受 力 柱 ： 最 大 误 差 为 23%， 当 时 。.c总 之 ， 传 统 的 弹 塑 性 铰 分 析 不 能 看 作 是 一 种 高 级 的 非 弹 性 分 析 。 同 样 ， 把 弹 塑 性 铰模 型 用 于 分 析 受 很 大 的 重 力 荷 载 但 非 弹 性 内 力 重 分 布 的 储 备 能 力 很 小 的 结 构 时 ， 效 果很 差 。3. 改 进 塑 性 铰 分 析 使 得 对 柱 强 度 的26估 计 接 近 于 柱 设 计 的 规 范 要 求 。 同 时 ， 改 进 塑 性 较 模 型 能 够 很 好 地 估 计 梁 构 件 的破 坏 荷 载 ， 当 破 坏 是 由 于 塑 性 破 坏 机 制 的 形 成 时 。 对 于 Liew（ 1992） 研 究 过 的有 侧 移 框 架 例 子 ， 改 进 塑 性 铰 方 法 给 出 了 偏 安 全 的 结 果 并 保 证 了 一 个 合 理 的 准 确度 。 对 于 独 立 梁 柱 结 构 的 例 子 ， 与 LRFD 梁 柱 强 度 结 果 相 比 ， 其 最 大 偏 危 险 误 差不 超 过 5%。 改 进 塑 性 铰 方 法 可 以 分 析 各 种 结 构 的 强 度 和 稳 定 性 能 ， 从 独 立 构 件 和 简单 的 门 式 框 架 结 构 ， 到 整 个 多 层 的 结 构 。 因 此 ， 它 可 以 被 称 为 一 种 高 级 的 分 析 方 法 。4. 现 在 的 研 究 表 明 ， 基 于 具 体 构 件 承 载 能 力 核 实 的 弹 性 分 析 程 序 在 评 估 超 静 定结 构 在 极 限 强 度 状 态 下 的 性 能 时 ， 是 有 局 限 的 。 当 内 力 重 分 布 发 生 时 ， LRFD 梁柱 方 程 所 采 用 的 有 效 长 度 系 数 就 无 法 表 达 一 个 框 架 的 工 作 性 能 了 。 因 此 ， 只 有 当 框 架是 完 全 弹 性 时 ， 它 的 应 用 才 是 有 效 的 。 总 之 ， LRFD 弹 性 分 析 /设 计 是 偏 保 守 的 。然 而 ， Liew（ 1992） 中 的 若 干 基 准 点 研 究 说 明 这 种 方 法 估 计 的 极 限 强 度 状 态 比 起 一个 超 静 定 框 架 的 实 际 强 度 来 说 是 太 保 守 了 。 LRFD 弹 性 分 析 /设 计 方 法 的 保 守 度 在总 体 上 是 随 着 框 架 的 超 静 定 次 数 的 增 加 而 增 加 的 。27第二章参考文献1、 陈 禄 如 中 国 钢 结 构 的 现 状 和 展 望 建 筑 钢 结 构 的 进 展 2001 NO.12、 李 国 强 薛 伟 辰 当 代 建 筑 工 程 的 新 结 构 体 系 建 筑 钢 结