高等钢结构理论作业

太原理工大学建筑与土木工程学院 1 高等钢结构理论作业高等钢结构理论作业 专业 结构工程 姓名 高培文 学号 S20090588 授课教师 雷宏刚 在钢结构设计中 极限状态的概念 理论和设计方法已经得到普遍的应用 在极 限状态设计方法中 结构在达到其极限承载力之前是非线性 因此 目前的许多工程 设计实践都采用二阶弹性分析方法 随着计算机硬件的发展 尤其是个人计算机和工作站的运算能力和图形功能的提高 使直接的二阶弹塑性分析成为可能 一旦建立了可靠的计算理论和完成相应的程序设 计 弹塑性分析将允许我们能更严格地考虑单个构件的性能 最大强度 延性等 和整体 结构之间的相互作用和相互依赖关系 更能全面地考虑结构的实际破坏模式和最大强 度 而不再需要现行繁琐的设计过程 先对结构作线性的或非线性的弹性分析 继而 又对构件进行非弹性的强度设计 虽然工程师设计的结构是安全的 但他不能预测出该 结构的破坏荷载 近年来 一些国家的塑性设计规范条文中已经强调了二阶非弹性分析 二阶非弹 性分析给出构件所受的荷载 通过规范的典型公式检验构件的安全性 二阶非弹性分析 总是要在一定程度上考虑材料的塑性和结构稳定性之间的耦合作用 如果充分考虑这 种耦合作用 那么我们在进行结构设计时 就不必再对构件进行验算 这就是结构的 高等分析 一 高等分析的发展趋势 自从 1956 年 Turner 提出有限元思想 1960 年 Clough 正式提出有限元的概念以来 有限元理论得到广泛应用与飞速发展 尤其是结构稳定与极限分析中 更是从构件的 分析发展到整体结构的分析 从简单的线性分析发展到非线性分析 根据结构分析时 采用的小位移 几何线性 或大位移 几何非线性 以及材料性质的不同假定 结构分析的 类型有 1 屈曲分析 2 一阶弹性分析 3 二阶弹性分析 4 一阶弹塑性分析 5 二阶弹塑性分析 在所谓的一阶 二阶分析中 一阶 是指平衡方程按结构变位前的 轴线建立的 也称几何线性 二阶 是指平衡方程按结构变位后的轴线建立的 也 称几何非线性 从目前的设计规范看 不论屈曲分析 一阶分析 还是二阶分析 在用 于设计时 都存在着以下缺点 不能进行完全的整体分析 即必须采用规范中的公式对 单个构件进行强度和稳定性验算 这对于构件较多尤其高层建筑是相当繁琐的 随着计算机技术的发展和结构分析的需要 许多研究者和工程师提出了结构二阶 太原理工大学建筑与土木工程学院 2 非弹性高等分析的多种数值模型 并且已有大量结果被规范所采用 总的说来 这些 模型可分成两大类 1 塑性区法 或称分布塑性法能精确跟踪结构整个体积内的塑性 发展 构件中的塑性可通过将构件划分成若干梁柱单元并且在断面上进一步细分为许 多纤维单元来模拟 可以考虑残余应力 几何缺陷和材料应变硬化等效应 通常可认 为是精确的分析方法 然而这类分析计算费用太高 因此只能用于特殊结构和小型结 构分析 普通设计及大型结构分析不适用 2 塑性铰模型正是满足了塑性区法无法达 到的高效率 低费用等需求而受到重视 在弹塑性铰模型中 非弹性行为集中在零长 度的塑性铰部位 构件中除塑性铰部位之外其它部分均假定为弹性 典型的二阶弹塑 性铰分析仅用 1 单元 构件进行分析 比塑性区法更有效 更经济 因简单塑性铰方法 常过高地估计实际结构的刚度和强度 因此一些研究者提出对简单塑性铰方法改进的 修正塑性铰及精化塑性铰方法 高等分析要求必须构造出一种能够精确描述构件受力变形特性的单元 这种单元 能够在个人计算机上高效率地运行 使收敛速度快 原始数据准备简单 并能用 1 单元 构 件进行分析 二 高等钢结构分析理论 钢结构高等分析理论在最近几年得到了长足的发展 它对传统设计方法 步骤的影 响是深远的 广大结构设计人员多年来已经习惯于按照传统的步骤进行结构设计 而 随着大量大型钢结构建筑的出现 迫切需要加强对钢结构设计步骤的研究 形成科学 的方法流程 方便设计人员运用新的理论 现实中关于分析理论的研究文献很多 而 关于具体设计步骤的研究文献较少 一 钢结构设计分析方法现状 1 一阶设计法 忽略结构的变形 按未变形状态对结构进行分析设计 称为一阶设 计法 这是一种传统的设计方法 也是各国设计规范采用的主要方法 因此为广大结构 设计人员所熟悉 但这种方法也受到了诸多研究者的批评 2 二阶设计法 考虑结构的实际变形 并在此基础上对结构进行分析设计 也称钢 结构的高等分析设计法 目前 二维结构的高等分析理论已经可以运用实际结构 而 三维结构的计算分析理论尚有待完善 这种方法的实现有赖于计算机技术及计算理论 的进一步发展 得到的结果是精确解 根据是否考虑结构材料的非线性性能 又可以 分为两阶弹性分析和两阶弹塑性分析 太原理工大学建筑与土木工程学院 3 二 钢结构设计步骤分析 1 传统设计步骤 结构方案选择与布置 预估构件截面 取定结构计算简图 计算 不同荷载作用下结构构件的内力 构件控制截面内力组合 结构构件验算 此后要进 行判断设计 若满足要求则进行图纸编制工作 若不满足要求 则需要重新进行构 件截面设计 再次进行结构构件验算工作 直至满足要求为止 2 按照高等理论的设计步骤 结构方案选择与布置 预估构件截面 取定结构计算 简图 荷载组合 根据不同组合分别计算内力 根据最大内力 按强度控制直接设计构 件 图纸编制 3 两者的差别 传统方法是在结构线弹性假定的基础上 在构件级别上的反复验 算 重复过程较多 但思路简单 方便手算 符合设计人员的习惯 高等方法是在考 虑结构弹塑性变形基础上 进行的全过程分析 最后仅按照强度控制条件进行的构件截 面设计 无需反复验算 但内力计算繁琐 不适合手算 无论传统方法还是高等方法 其实都考虑到了结构非线性因素的影响 只不过传 统方法是在强度 刚度 稳定性验算过程中 采用规范规定的有关系数加以反应 而 高等方法是在计算结构内力时直接考虑结构的非线性 几何 材料 节点 因素 直接得 到结构的实际内力及变形状态 预估截面 两者本质是有差别的 传统方法需要丰富的设计经验 如 钢梁截面 h 1 20 1 40 跨度 柱截面通常按照长细比 预估 一般选择 80 等 这样可减少 后期截面验算的循环次数 可能只需一次验算 即可满足要求 而高等方法在预估截 面阶段 无需精确估计截面大小 只需选择合适的截面类型即可 精确的截面尺寸可 在后续的构件截面设计阶段一次完成 两者都有组合 但传统方法是先计算单一荷载作用下的结构构件的内力 然后选 择控制截面 进行内力组合 高等方法是先进行荷载组合 然后计算内力 这造成前 者内力计算简单 后者内力计算复杂 传统方法在截面验算阶段 需考虑诸如强度 刚度 变形 稳定性 局部 整体 等 因素 一一验算 一项不满足即需调整设计重新验算 而高等方法只需考虑强度因素 一次计算即可得到精确的截面数据 三 钢结构设计软件 钢结构高等分析设计理论在工程实际中的运用 主要依靠计算机技术 相关软件 太原理工大学建筑与土木工程学院 4 的发展极其重要 目前 钢结构的设计软件主要有 PKPM 3D3S MTS TSSD PS2000 SAP2000 STAAD SFCAD ANSYS ETA BS STRAT 等等 这些软件主要可以分为四类 通用计算设计软件 如 PKPM STS 3D3S MTS STRAT 和 ETABS 专业计算设计软件 如 PS2000 和 SFCAD 绘图及简单构件计算软件有 TSSD 通用分析计算软件如 STAAD SAP2000 和 ANSYS 最后 钢结构高等分析考虑了结构的几何和材料非线性及构件本身存在的残余应 力 几何初始缺陷等因素的影响 并通过一次计算分析就能精确得到钢结构的结构极 限承载力 同时满足正常使用极限状态的要求 大大简化了结构的设计计算过程 现 阶段我国钢结构设计规范采用的设计方法是先考虑荷载的各种组合 然后根据 GB 50068 2001 建筑结构可靠度统一标准 考虑各种组合 对结构进行一阶弹性整体分析 得出构件的内力和节点位移 最后再根据规范规定的公式来对杆件进行强度和稳定验 算 这种结构整体弹性一阶分析 构件验算采用考虑构件二阶效应和部分发展塑性的 传统设计方法本身就存在矛盾性 所以国内外很多学者就提出各种钢结构