钢筋混凝土排架结构的二阶效应规律及排架柱的等效长度研究

摘要

在结构的二阶效应问题当中，钢筋混凝土排架结构变阶柱的二阶效应还有待进一步研究。到目前为止，对于铰接排架柱的二阶效应只有前苏联及我国设计规范作了规定。二十世纪七十年代至九十年代，胡绍隆及赵传智等利用初参数法对一次变阶排架柱进行整体失稳分析，给出了由初参数法求得的等效长度建议取值，但是由于他们的研究工作中存在的概念误判，导致给出的建议值并不正确。到了二十一世纪初期，本论文作者所在研究团队的朱占友和刘毅分别先后对排架结构二阶效应进行了新一轮系统的研究和分析，并取得了一系列重要的研究成果。但是我国2010版的《混凝土结构设计规范》修订组经综合考虑后认为，已有研究成果仍可能有待确认和完善，故仍决定使用原来的排架柱等效长度。至此，我国现行钢筋混凝土结构设计规范给出的铰接排架柱等效长度规定已使用了四十几年未作改变，而且缺少分析依据。
　　 在这样的背景下，本论文在前人研究成果的基础上，对排架结构的二阶效应规律以及排架柱的等效长度取值规律进行进一步的分析研究，取得了以下研究成果：
　　 ①在结构二阶效应分析方面，归纳介绍了用于结构二阶效应分析的η-ι0法、基于几何刚度的有限元法(简称“虚柱法”)以及基于等效水平力的有限元迭代法(简称“迭代法”)。本论文对使用基于几何刚度的有限元法求解结构P-△效应的实现过程进行了理论推导，详细说明了该方法的思路，并通过一根等截面悬臂柱演绎了该方法求解结构P-△效应的实现过程。同时，对该方法进行了拓展，提出以及论证了通过细分单元的方式可以使用该方法同时考虑结构的P-△效应以及P-δ效应。而且，进一步通过算例论证了使用迭代法和虚柱法考虑结构二阶效应得到的结果是一致的，并通过迭代法剖析了虚柱法的细部原理。
　　 ②以排架跨度、吊车吨位、风荷载大小和上下柱柱长比β作为变量，通过对单层单跨有吊车排架结构系列算例进行弹性一阶以及弹性二阶分析，系统考察了这些因素对此类排架结构二阶效应规律以及排架柱等效长度系数取值规律的影响程度。与此同时，也考察了此类排架结构的二阶效应规律以及排架柱的等效长度系数取值规律，在此基础上给出了单层单跨有吊车排架结构排架柱在排架方向的等效长度系数取值建议方案，并且从理论上解析了排架柱等效长度系数大于2.0的原因。
　　 ③通过单层单跨有吊车排架结构算例验证了P-△效应不会增大排架柱的柱内剪力，其原因就在于P-△效应是由竖向荷载和水平位移产生的，原则上不会影响结构在水平力下的平衡条件。
　　 ④初步考察了左跨与右跨跨度相等的单层两跨等高有吊车工业厂房排架结构的二阶效应规律以及排架柱等效长度取值规律，认识到上下柱柱长比β对单层两跨等高有吊车工业厂房排架结构二阶效应规律以及排架柱等效长度取值规律的影响与对单层单跨排架结构的是一致的。同时，与单层单跨排架结构相比，该类排架结构的二阶效应规律以及柱的等效长度系数取值更加复杂，其边柱柱段的等效长度系数可能会比相同条件下的单层单跨排架结构的偏小，也可能会偏大，而中柱的等效长度系数往往比较小，多数情况下会小于1.0。