直接分析法在變截面結構設計中的最新研究進展

摘要

变截面构件具有造型优美、自重轻及用料省等特点,被广泛应用於幕墙框架、桥梁、网壳等大跨度结构.随着自动化焊接技术的发展与普及使用,变截面构件的加工制作成本逐渐下降.另外,高强钢材的制备日趋成熟,此类钢材通常以钢板形式出厂,并需焊接成构件以供结构使用.若采用变截面构件的方式使用高强钢板,可实现最优的结构形式和最经济地使用材料,进一步推动变截面构件的应用.建筑资讯模型(BIM)的成熟应用,也爲具有多样变截面类型的结构施工,奠定应用基础.当前对变截面构件的设计方法仍以线弹性分析爲基础,配合使用近似方法或经验公式对构件进行设计,无法得到结构整体与变截面的准确受力及精确变形,因而难以获得优化的结构设计方案.爲此,本研究团队进一步发展直接分析法设计理论,推广应用於变截面构件的结构体系.目前,对於变截面构件在有限元分析下的刚度矩阵与一致质量矩阵的计算,仍基於近似假设;另外,对於变截面受压构件的初始缺陷分布形式,仍无相关的研究.爲此,本文针对常用的变截面构件提出一统化的分析理论,基于有限单元法及欧拉伯努利理论推导出适用于常用变截面构件的解析解梁柱单元,给出精确的刚度及质量矩阵以满足静力及动力分析的要求.另外,本文也提出高等分析单元,用以构建"一单元一构件"的高效分析模型,并在单元层面上考虑构件初始缺陷,以适用於大变形,大转角,塑性等非线性分析问题.爲准确反应最不利初始缺陷分布,本文提出一致化初始缺陷分布公式,自动拟合出构件最低能量屈曲形态,以准确计算受压承载能力.本文将介绍及列举上述的研究进展,并提供算例以体现该方法的高效性与准确性.