钢框架支撑结构的分析方法及影响因素

1、钢框架支撑结构的分析方法及影响因素 摘要：本文介绍了钢框架支撑结构的各种分析方法及影响因素，钢框架支撑结构高等分析方法将是未来钢框架支撑结构分析方法重点研究方向。 关键词：钢框架支撑结构；影响因素；高等分析方法 中图分类号： tu391 文献标识码： a 文章编号： 引言： 在最近的十几年里随着计算机技术的发展，把钢结构的高等分析应用于设计已成为一种可能。高等分析方法是一种能准确描述结构极限状态的二阶弹塑性分析方法，并且不需要对组成结构的单个构件进行繁琐的验算，一次计算一次完成，因此，高等分析方法是一种更为有效和更加精确的钢结构分析方法。 1、钢框架支撑结构分析方法 钢框架支撑结构分析方法主要

2、分为一阶弹性分析、二阶弹性分析、一阶弹塑性分析、二阶弹塑性分析、以及考虑了构件本身存在的残余应力、几何初始缺陷等因素的高等分析方法、以及考虑节点半刚性的高等分析方法。 按结构变位前的轴线建立平衡方程进行分析的称为一阶分析,按结构在己变形状态下的平衡进行分析的称为二阶分析，也就是考虑变形对外力效应的影响的分析。我国钢结构规范(gb50017-2003)规定了两种设计分析方法，一种是传统的一阶弹性分析法，另一种是对nu/hh0.1的框架结构宜采用二阶弹性分析方法即只考虑框架整体p效应的二阶分析法。现阶段钢框架支撑结构的研究方向是既考虑局部构件p效应又考虑框架整体p效应的二阶分析法。 2、各种因素对

3、钢框架支撑结构影响 影响钢框架支撑结构的因素有很多，主要分为两大类：第一类是影响钢框架支撑结构性能的因素，第二类是结构体系的不同对钢框架支撑结构的影响。 2.1影响钢框架支撑结构性能的主要因素 影响钢框架支撑结构性能的主要因素可分为三类：几何非线性；材料非线性；节点区域的非线性。几何非线性影响主要有：p-效应和p-效应。材料非线性影响主要有：塑性扩展和残余应力。节点区域的非线性影响主要有：节点的半刚性连接和节点域剪切变形。 2.1.1几何初始缺陷 几何初始缺陷是由于构件在制作和结构安装过程中产生的缺陷和误差，它是不可避免的。对于构件来说，构件本身都可能存在不同程度的几何初始缺陷，主要包括初弯曲

4、、初偏心和初扭转等。实际的构件不可能完全挺直，总会有微小的初始弯曲。初弯曲带来的初弯矩会加快截面边缘的屈服速度，使构件的承载力有所降低。 2.1.2塑性扩展 梁在弯矩作用下，截面弯矩未达到弹性极限弯矩me时，整个截面处于弹性状态。当增大到me时，截面最外层纤维开始屈服。弯矩继续增大，塑性区向截面内扩展，外层纤维的应变继续增大，但应力值仍保持为屈服应力值y，当整个截面完全屈服，全部进入塑性状态时，弯矩等于mp,此时弯矩叫做塑性极限弯矩。从屈服前到完全屈服后，截面弯曲刚度ei逐渐从全弹性降为全塑性极限状态，最后形成塑性铰。塑性不仅出现在塑性铰截面，同时还分布在其附近，这区域称为塑性区。 2.1.3

5、残余应力 残余应力通常是指在生产和制作的某些阶段产生了不均匀的自平衡应力。残余应力的存在会使压弯构件提前进入屈服，构件开始屈服后，刚度减小，变形增大，相应地导致二阶效应增大，因此残余应力会使构件极限承载力降低而提前破坏，残余应力的分布和大小与截面形状、制作过程、材料性质等因素有关。 2.1.4节点的半刚性连接 半刚性连接是指梁与柱之间的连接既非完全刚性，又非理想铰接的框架。所有的钢框架在实际情况下都是属于半刚性连接的。在进行钢框架结构分析时常采用刚性连接或铰连接模型，其目的是为了简化分析和设计过程，但并不意味着它能代表真实的结构特性。当在荷载作用下连接产生的变形可以忽略时，采用理想化的刚性框架

6、不会引起显著的误差。同样，当连接的抗弯能为可以忽略时，采用铰接模型则常常是合理的。但是，当连接的刚度处于这两种极端情况之间时，就应采用能够明确计入连接柔性影响的更为实际的分析方法。半刚性连接增大了节点柔性，并加大了框架结构的水平侧移，更加的加重了二阶效应。由于半刚性连接韧性好，耗能能力强，抵抗地震作用好，节点用钢量少，施工技术简单，所以在框架结构中经常使用，因此在进行结构高等分析时需要考虑节点的半刚性。 2.1.5节点域剪切变形 在钢结构梁柱连接中，节点域柱腹板一般均设置加劲肋。对于全焊接和翼缘焊接腹板螺栓连接的梁柱节点，节点转角可认为完全是由节点域剪切变形引起。节点域的剪切变形，对整个结构的

7、受力性能有较大的影响。在高层钢框架结构中节点域的剪切变形使框架产生的水平位移相当大，所以在进行结构高等分析时不应被忽略。 2.2钢框架支撑结构 钢框架支撑结构体系又分为中心支撑框架结构体系和偏心支撑框架结构体系。 2.2.1中心支撑框架结构 中心支撑框架结构体系是指支撑斜杆连接于框架梁柱节点上，是现在高层钢结构建筑的常用形式。由框架和带支撑的支撑框架共同构成的抗侧力结构，其中支撑框架是承担水平剪力的主要抗侧力结构，框架承担少部分水平剪力，所以它具有较大的抗侧刚度。 2.2.2偏心支撑框架结构 偏心支撑框架结构中的支撑斜杆应至少在一端与梁连接，另一端可连接在梁与柱相交处。偏心支撑框架很好地结合了

8、纯框架和中心支撑框架两者的优点，既有较高的竖向承载能力又能较好的降低风荷载或地震荷载对结构的作用。该体系和纯框架体系相比造价较低，但由于支撑的存在，不利于建筑布置。 3、钢框架支撑结构设计方法存在的问题 传统的设计方法实质上是基于结构构件的承载力极限状态的设计方法，而不是基于整体结构综合考虑的极限承载力设计方法。这种设计方法存在如下缺点： 两个阶段采用的计算模型不一致。分析结构内力时，假定结构处于弹性工作阶段，而在确定结构构件承载力时，又假定结构处于弹塑性工作阶段，考虑结构构件塑性引起的内力重分布。所以，结构内力分析时与构件验算时内力取值不一致。 现阶段设计方法不能准确预测结构体系的破坏模式和

9、极限承载力。现阶段钢框架支撑结构设计方法一般先对整体结构进行弹性分析,然后对各构件按极限状态方程逐个检验其安全性。这种设计方法实质上是一种基于构件承载力极限状态的结构设计法,只能预测构件的极限承载力，而不能预测结构体系的破坏模式和极限承载力，缺乏可以准确而直接地描述结构处于极限状态时的各种主要非线性性能的结构分析模型。 按计算长度方法设计的结构，各构件的可靠度水平不一致。现阶段设计理论由于以结构构件为设计对象,只能保证结构构件极限承载状态的名义可靠度水平，而不能保证结构整体承载极限状态的可靠度水平。因为结构的整体承载力极限状态不仅与各构件的极限承载力有关，还与结构各构件间的相关性、抗力与荷载间

10、的相关性、结构的赘余度、结构形式以及结构的受荷载状态等诸多因素有关。目前，虽然有很多学者对计算长度系数方法进行了修正，但仍然有一定的局限性，没有综合考虑所有因素的影响，并且较为繁琐，有的还需引入其他表格，故此在实际应用上并不方便。 4、钢框架支撑结构的高等分析方法 要彻底克服现阶段钢框架支撑结构设计方法的缺点，必须建立以结构整体承载力极限状态为目标的钢框架支撑结构高等分析方法。高等分析主张在结构中充分考虑所有重要的非线性因素，直接计算和验算结构整体极限承载力，以彻底免除构件验算的步骤。澳大利亚规范（as4100,1990）和欧洲规范（ec3，1991）已允许使用结构高等分析而不需要进行构件强度验算。近年来钢结构的高等分析与设计研究在国际上得到了广泛的重视，并在平面框架方面取得了重大进展。最近十年国内外学者做了大量研究工作提出了一系列适用于钢结构高等分析的二阶弹塑分析模型，如塑性区法、拟塑性区法、弹塑性绞法、等效荷载法、精化塑性绞法、伪塑性区法等，同样，这些方法也适用于钢框架支撑结构。 结束语： 现阶段对新的钢结构分析理论和应用研究是重要任务。