基于变形性能的多高层钢框架结构高等设计方法研究

摘要

结构的高等分析和设计方法的最大优点在于，能够直接分析结构整体的承载能力和变形性能，而不必单独对结构中的各构件进行强度和稳定性验算。目前，国内外在该方向的研究重点仍然普遍集中在考虑各种非线性因素对整体结构极限承载力的影响上。但有研究表明，按基于承载能力极限状态的高等分析方法设计的多高层钢框架结构，其变形验算往往不能满足正常使用功能的要求，结构最终容许的承载能力或截面设计均由满足结构变形要求的容许荷载水平控制。因此有必要开展基于变形性能的高等设计方法研究。现有研究还表明，在进行高等分析时，结构和构件初始几何缺陷的处理方式对框架结构的极限承载能力影响有限，但对结构的变形性能却有着显著的影响。目前规范采用的最不利缺陷分布及假想水平荷载法均没有很好的考虑构件缺陷的随机性问题，夸大了初始几何缺陷的影响。所以在多高层结构的高等设计中，还应研究考虑随机初始几何缺陷的分析方法。针对上述问题，本文主要开展了如下研究工作：
　　分别采用规范推荐的计算长度法和假想荷载法以及有限元模拟的高等分析设计方法，对单层单跨框架和六层单跨框架的设计过程进行了详细的研究。对比分析了构件内力、控制应力、结构极限荷载以及框架的变形性能，揭示了高等分析与设计方法的优越性和现阶段研究存在的问题。
　　对多种国内外多高层钢结构已建工程的施工质量验收记录进行了统计分析，得到了实际结构构件真实初始缺陷的分布规律和结构整体垂直度的控制水平，这些偏差都远远小于规范允许的限值，并先行尝试了对我国目前钢结构施工技术水平进行评价。针对结构构件初始缺陷具有随机性的问题，采用蒙特卡罗法模拟了实际结构的随机初始几何缺陷，并利用拉丁超立方抽样技术有效提高了抽样效率。通过自编 Matlab程序实现了考虑随机初始几何缺陷的分析方法，为开展准确有效的高等设计研究奠定了基础。
　　采用考虑随机初始缺陷的分析方法，建立了多高层钢框架结构的随机缺陷模型，应用ANSYS有限元程序围绕结构高宽比、二阶效应参数、框架柱长细比和梁柱总线刚度比开展了大量的全过程高等分析。根据真实缺陷随机分布的分析结果，采用概率统计的方法确定了结构各层柱顶位移和梁跨中挠度，并与多种规范处理初始缺陷的分析方法计算结果进行了对比。结果表明，采用高等设计方法计算的结构侧移均比一阶分析结果有显著增加；考虑真实随机缺陷计算的框架二阶位移仅比理想框架的变形有少许增加；采用最不利缺陷分布和假想水平力的规范方法算得的二阶位移最大。结果还表明，按基于极限承载力的高等分析方法设计多高层框架，其理想框架模型的二阶侧移都超过了正常使用极限状态的功能要求，结构实际容许的极限承载力或截面设计最终均由结构的变形限值要求决定。
　　提出了多高层框架的高等设计按理想框架进行分析的简化处理方法，既可有效减少单元的划分数量，又能保证结构设计的真实性和安全性。从结构适用性角度分析了正常使用状态变形限值的确定原则，并对高等分析在正常使用极限状态的判别标准提出了设计建议。根据大量参数分析的结果拟合出高层钢框架结构二阶侧移的实用计算公式，通过算例对比有限元结果验证了该公式拟合的精度较好，可以直接用于类似结构的二阶侧移计算。
　　对由结构变形限值控制设计的多高层框架，提出了一种实用的基于变形性能的高等设计方法。首先在荷载效应标准组合下研究结构的变形性能，然后考虑基本荷载组合验算结构的承载能力。通过按国内外规范设计的算例证实，基于变形性能的实用高等设计方法简单有效，可在高柔的钢框架结构设计中广泛应用，并为钢结构规范的修订提供参考。

目录

基于变形性能的多高层钢框架结构高等设计方法研究

RESEARCH ON DEFORMATION PERFORMANCE-BASED ADVANCED DESIGN METHOD FOR MULTISTORY AND HIGH-RISE STEEL FRAME STRUCTURES

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景和研究目的和意义

1.2 钢结构设计方法的发展与评价

1.3 钢框架体系非线性分析方法综述

1.4 影响钢框架结构极限承载力的非线性因素及处理

1.5 国内外高等分析方法的研究现状

1.6 本课题的主要研究内容

第2章 现行钢结构设计方法对比研究

2.1 引言

2.2 一阶弹性分析与二阶弹性分析

2.3 单层单跨框架设计

2.4 六层单跨框架设计

2.5 本章小结

第3章 考虑随机初始几何缺陷的分析方法研究

3.1 引言

3.2 现有工程结构中初始几何缺陷的实测统计

3.3 考虑随机缺陷的分析方法

3.4 本章小结

第4章 多高层钢框架结构的变形性能研究

4.1 引言

4.2 多高层钢框架结构的计算模型

4.3 参数设计及截面尺寸确定

4.4 单跨框架全过程高等分析

4.5 双跨框架全过程高等分析

4.6 三跨框架全过程高等分析

4.7 本章小结

第5章 实用的钢框架结构高等设计方法研究

5.1 引言

5.2 实际缺陷在高等设计中的考虑建议

5.3 高等设计中变形限值的判别标准

5.4 基于变形性能的实用高等设计方法

5.5 算例应用及验证

5.6 本章小结

结 论

参考文献

附 录

A 单层单跨框架计算过程

A.1 荷载汇集

A.2 一阶弹性分析内力组合

A.3 一阶弹性分析构件承载力验算

A.4 二阶弹性分析内力组合

B 六层单跨框架计算过程

B.1 一阶弹性分析内力组合

B.2 一阶弹性分析构件承载力验算

B.3 二阶弹性分析内力组合

B.4 二阶弹性分析构件承载力验算

C 荷载汇集

C.1 永久荷载标准值作用

C.2 集中风荷载标准值计算

D 参数设计

D.1 框架柱截面尺寸和长细比设计

D.2 框架梁截面尺寸和梁柱总线刚度比设计

E 单跨框架变形性能的概率统计

F 双跨框架的全过程分析

F.1 规范分析方法计算的初始缺陷

F.2 极限荷载因子

F.3 概率统计结果

F.4 与规范分析方法比较

G 三跨框架的全过程分析

G.1 规范分析方法计算的初始缺陷

G.2 概率统计结果

G.3 与规范分析方法比较

H 二阶侧移实用计算公式与有限元结果比较

攻读博士学位期间发表的学术论文

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致 谢

个人简历