钢结构二阶分析设计方法及其应用_舒赣平.pdf
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1、第 45 卷 第 21 期 2015 年 11 月上建筑结构 Building StructureVol 45 No 21 Nov 2015钢结构二阶分析设计方法及其应用*舒赣平1, 谢甫哲2, 刘伟1( 1 东南大学土木工程学院,南京 210096; 2 江苏大学土木工程与力学学院,镇江 212013) 摘要 对两个 6 层钢框架结构进行了一阶弹性、 二阶弹性和二阶弹塑性分析, 对比分析了三种方法的设计结果,考察了 钢结构设计规范 ( 送审稿) 中的二阶分析设计方法的可操作性以及与一阶分析设计结果的一致性。结果表明: 一阶分析设计方法和二阶分析设计方法在杆件承载能力方面的设计结果基本一致,
2、但位移方面的分析结果差距较大, 建议分别设置一阶分析和二阶分析的位移限值; 二阶分析设计方法中两种缺陷取值方法得到的设计结果基本一致 ; 钢结构设计规范 ( 送审稿) 对于结构二阶分析设计方法的规定具有较强的可操作性。 关键词 钢结构;二阶分析设计;一阶分析设计;初始缺陷中图分类号: TU391文献标识码: A文章编号: 1002- 848X( 2015) 21- 0030- 05Application of the second- order analysis and design method of steel structuresShu Ganping1,Xie Fuzhe2,Liu W
3、ei1( 1 Department of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China;2 Faculty of Civil Engineering and Mechanics,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)Abstract: Two steel frames with 6 stories were respectively analyzed by first- order elastic method,second- order elasticmethod and
4、second- order elasto- plastic method,and the results were compared The operability of second- order analysisand design method of Code for design of steel structures draft and the consistency with first- order analysis and design methodwere investigated The results indicate that the capacity design r
5、esults respectively obtained by the second- order analysisand design method and the first- order analysis and design method are identical,while the lateral displacement results arequite different It is recommended that the lateral displacement limits of first- order and second- order analysis should
6、 berespectively set The second- order analysis and design results respectively obtained by the two initial imperfection definitionmethods are identical The second- order analysis and design methods in the Code for design of steel structures draft havebetter operabilityKeywords: steel structure;secon
7、d- order analysis and design;first- order analysis and design;initial imperfection* 国家自然科学基金资助项目( 51178098) , 江苏大学高级人才基金 资助项目。 作者简介: 舒赣平, 博士, 教授, 博士生导师, Email: sgp0818 vip sina com。0引言现代钢结构建筑的体形越来越复杂, 传统的一阶分析设计方法逐渐难以满足工程实际的需要, 更加准确的二阶分析设计方法越来越受到人们的重视。国内外学者开展了对钢结构二阶分析设计方面的研究, 取得了较多的成果1- 4 。基于这些研究成果,
8、一些发达国家在钢结构设计规范中开始逐步推广二阶分析理论, 推荐用二阶分析设计方法代替传统的一阶分析和基于计算长度系数的设计方法, 如最新的 LFD 规范5 将二阶分析方法移至核心章节, 而将一阶线性分析方法放入附录中, 欧洲规范 Eurocode 36 也将二阶非线性分析方法放在了一阶分析设计方法前面。为满足我国钢结构理论和实践发展的要求, 即将出版的 钢结构设计规范 ( GB 50017- 201X) 扩充了二阶分析设计方面的内容, 提供了比前一版( 钢结构设计规范 ( GB 500172003)7 ( 简称钢结构规范) 更细致的二阶分析设计方法。本文基于 2012 年新钢结构设计规范 (
9、送审稿) ( 简称送审稿) , 分别对多层钢框架结构进行了一阶和二阶分析设计( 包括二阶弹性分析设计和二阶弹塑性分析设计) , 对各设计方法得到的结果的一致性及二阶设计方法的可操作性等方面进行了比较分析, 为我国二阶分析设计方法的推广以及新规范的应用提供参考。 1二阶分析设计方法1. 1 二阶分析设计的条件送审稿通过二阶效应系数 i来判断框架结构是否需要进行二阶分析。当 i0 1 时, 可采用线弹性分析法; 当 0 1 i0. 25 时, 宜采用二阶弹性分析; 当 i0. 25 时, 宜增大结构刚度或采用直接分析设计方法。i的计算公式为:i=Nikui Hikhi( 1)第 45 卷 第 21
10、 期舒赣平, 等 钢结构二阶分析设计方法及其应用式中: Nik为所计算 i 楼层各柱轴心压力标准值之和;Hik为产生层间侧移 ui的计算楼层及以上各层的水平力标准值之和; hi为所计算 i 楼层的层高; ui为Hik作用下按一阶弹性分析求得的计算楼层的层间侧移, 可近似采用层间相对位移的容许值 u 。 1. 2 二阶分析设计的初始缺陷取值图 2二阶分析设计流程结构的初始缺陷包括结构整体几何缺陷、 构件几何缺陷和残余应力等。送审稿对这几种缺陷的取值方法介绍如下。 1. 2. 1 结构整体几何缺陷( 1) 位移方式: 缺陷模式通过结构第一阶弹性屈曲模态确定, 通过下式确定缺陷值( 且不小于 hi/
11、1 000) :i=hi 2500 2 +1 n槡s1 k( 2)( 2) 假想力方式: 通过下式确定, 且力的施加方向应考虑荷载的最不利组合。Hni=Qi 2500 2 +1 n槡s1 k( 3)式中: i为所计算楼层 i 的初始几何缺陷代表值; ns为框架总层数, 当0 2 + 1/n槡s 2/3 时, 取为2/3,当0 2 + 1/n槡s 1,取为 1; Qi为第 i 楼层的总重力荷 载 设 计 值;k为 钢 材 牌 号 修 正 系 数,取235/f槡y。 1 2 2 构件初始缺陷构件初始缺陷模式采用半波正弦曲线的形式 ( 图 1) , 缺陷值的取值由式( 4) 和表 1 确定, 该缺陷
12、值包括了残余应力的影响。0= e0sinxL( 4)式中: 0为离构件端部 x 处的初始变形值; e0为构件中点处的初始变形值, 按表 1 取值; x 为离构件端部的距离; L 为构件的总长度。图 1构件初始缺陷示意图构件初始弯曲缺陷值表 1对应于不同类别的柱子曲线二阶分析 e0/L 值a 类1/400b 类1/350c 类1/300d 类1/2501. 3 二阶分析设计方法内容二阶分析设计方法包括二阶弹性分析设计方法和二阶弹塑性分析设计方法( 又称直接分析设计法) , 其设计流程如图 2 所示。二阶弹性分析时, 应考虑 P- 效应和结构的整体初始缺陷, 具体实施时, 根据是否考虑 P- 效应
13、,有两种分析设计方法。二阶弹塑性分析设计法需要同时考虑 P- 和 P- 效应, 并允许材料进入弹塑性受力状态。目前, 二阶弹塑性分析设计法通常采用塑性铰法和塑性区域法8, 9 , 其中以塑性铰法应用最广。 2二阶弹性分析设计2. 1 算例工程简介本工程为 6 层钢框架办公楼( 算例 1) , 平面尺寸为 36m 60m, 结构平面布置图及立面图见图 3。结构平面每层均相同, 结构总高度为 22m, 楼面和屋面均为 120mm 厚现浇钢筋混凝土楼板。抗震设防烈度为 7 度, 设计基本地震加速度为 0. 1g; 地面粗糙度类别为 B 类。结构的荷载取值如表 2 所示。框架柱与基础刚性连接, 框架梁
14、和框架柱刚性连接,次梁和框架梁铰接, 计算中考虑楼板的刚度。混凝土强度等级为 C30, 钢材等级为 Q345B。13建筑结构2015 年算例 1 荷载取值/( kN/m2)表 2永久荷载可变荷载楼面、 屋面外墙 楼面、 屋面风荷载雪荷载5( 包括楼板) 2. 62. 00. 4( 基本风压) 0. 65( 基本雪压)图 3算例 1 的平面图与立面图2. 2 一阶分析设计及结果根据我国设计规范7, 10, 11 , 对算例 1 进行常规的一阶分析设计, 构件截面尺寸如表 3 所示。一阶分析结果为: 1) 框架柱最大应力比为 0. 8, 框架梁最大应力比为 0. 75; 2) 地震作用下, X 向
15、最大层间位移为 8. 83mm, 最大层间位移角为 1/407, Y 向最大层间位移为 7. 1mm, 最大层间位移角为 1/507。可知, 算例 1 的一阶分析设计结果满足我国钢结构规范的要求。算例 1 构件截面尺寸表 3构件焊接 H 型钢截面尺寸框架柱 GZ- 1H400 400 12 20框架柱 GZ- 2H400 400 16 22框架梁 ZL- 1, ZL- 2H400 250 8 12次梁 CL- 1H300 200 6 102. 3 二阶弹性分析设计及结果根据式( 1) 分别计算 X, Y 向每层的二阶效应系数 i, 见表 4。由表 4 可见, 当风荷载沿 X 向, 结构底部三层
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