现代钢结构进展-二阶效应和半刚性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,二阶效应,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,图（,a,）为受均布荷载作用的两端铰接的受弯构件，最大挠度为,。,图（,b,）为受均布荷载作用的两端铰接的压弯构件，最大挠度为,。,图（,c,）为考虑与不考虑,P,影响的构件弯矩图。,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,构件的二阶效应,轴线压力会在构件内部产生附加的弯矩，导致压弯构件的抗弯刚度减弱，此效应称为,P,效应,，也称为,构件的二阶效应,。,图（,a,）的框架仅承受水平荷载,H,时，柱顶有位移。此时若在两柱顶施加竖载,P,，则力矩,P,使框架两柱脚各增加水平力,P,h,，即相当于在柱顶作用有水平力,2,P,h,，如图（,b,）所示。此水平力进一步产生附加水平位移，故总位移应为,。此效应称为,P,效应,，也称为,框架的二阶效应,。,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,框架的二阶效应,对结构在,未变形,状态下的平衡进行分析称为,一阶分析,，也就是不考虑变形对外力效应的影响的分析，相应的内力称为,一阶内力,。,对结构在,已变形,状态下的平衡进行分析称为,二阶分析,，也就是考虑变形对外力效应的影响的分析，相应的内力称为,二阶内力,。,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,一阶分析和二阶分析,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,框架二阶效应的近似简化计算（,P,法,）,设在,H,和,P,作用下柱顶一阶位移为 ，则等效水平荷载是,。这个荷载使框架产生新的侧移,式中 表示无竖向荷载时的框架刚度，记为,S,，则,又产生侧移,这样下去，直到,侧移收敛为止。,二阶分析所得的总侧移：,总侧移和一阶分析的侧移的比值，定义为放大系数,m,：,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,把,m,看作是无穷级数的和，则当 时有,二阶分析所得的柱端弯矩：,即二阶分析的总侧移：,（注意：对上图，,m,中的 。）,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,由上述的简化近似计算（,P,法）可知，对于结构的二阶分析，可由一阶分析所得的位移和内力乘以放大系数来解决。,如果在计算假想水平荷载的过程中适当考虑因简化计算、残余应力和几何缺陷等不利因素，乘以一个大于,1.0,的放大系数,，则,P,法可以得到满意的计算结果。,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,（,1,）计算长度系数设计法；,（,2,）高等分析设计方法；,（,3,）二阶弹性分析设计方法。,钢框架设计方法简介,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,计算长度系数设计法,目前大多数国家采用计算长度法计算钢结构的稳定问题。,计算长度系数设计法的求解步骤：,（,1,）采用一阶弹性分析的方法，即一般结构力学的计算方法确定内力，然后经过必要的组合得到诸构件的最不利内力。,（,2,）确定各压杆的计算长度。,（,3,）然后将各杆件隔离出来，按单独的压弯构件进行平面内和平面外的稳定承载力验算，验算中考虑了弹塑性、残余应力和几何缺陷等的影响。,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,计算长度系数设计法的优点：,计算比较简单，对比较规则的结构可以得到较好的结果。,计算长度系数设计法的缺点：,无法精确考虑二阶效应的影响；,不能考虑结构体系中内力的塑性重分布，因此对大型或复杂结构体系常常给出保守的设计；,不能精确地考虑结构体系与它的构件之间的相互影响，无法在给定荷载下预测结构体系的破坏模式。,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,高等分析设计方法,是以整个结构体系为对象，考虑几何非线性和材料非线性（即二阶弹塑性）的结构分析设计方法。由该方法可求得在特定荷载作用下结构体系的极限承载力和失效模态，而无需对各个构件进行验算。,目前，欧洲钢结构规范（,EC3,）和澳大利亚钢结构标准都列有二阶弹塑性分析或高等分析的条款。已颁布实施的,钢结构设计规范,(GB50017,2003),也将钢框架二阶分析方法纳入设计条文，这表明二阶分析设计方法用于工程设计已变得越来越重要。,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,高等分析设计方法的特点：,由于考虑了非线性的影响，因而对荷载的不同组合需要单独进行分析，叠加原理不再适用。该方法给出的结构承载能力将同时满足整个体系和它的组成构件的强度和稳定性的要求，可完全抛弃计算长度和单个构件验算的概念，对结构进行直接的分析和设计。,高等分析设计方法的优点：,是一种精确设计方法。,高等分析设计方法的缺点：,计算过于复杂，目前还未达到实际应用阶段。,现 代 钢 结 构 进 展,二阶效应,二阶弹性分析设计方法,二阶弹性分析设计方法的步骤：,（,1,）采用二阶弹性分析的方法，确定内力。,（,2,）各压杆的计算长度系数取,1.0,，即计算长度取其几何长度。,（,3,）然后将各杆件隔离出来，按单独的压弯构件进行平面内和平面外的稳定承载力验算。,注意：,二阶弹性分析时由于荷载和位移的非线性关系，叠加原理不再适用。为了得到构件各个端截面上的最不利内力设计值，必须先进行荷载组合。在各种荷载组合下进行二阶弹性分析，然后求得最不利的内力组合值。,二阶弹性分析设计方法的优点：,是一种比较精确的设计方法，且易于实现。为我国,钢结构设计规范,(GB50017,2003),所推荐。,节点的刚度,现 代 钢 结 构 进 展,节点的刚度,现 代 钢 结 构 进 展,节点的刚度,刚接,铰接,现 代 钢 结 构 进 展,节点的刚度,下面哪种节点连接是刚接，哪种又是铰接？,现 代 钢 结 构 进 展,节点的刚度,半刚接,现 代 钢 结 构 进 展,节点的刚度,（,1,）认识上的原因（主观原因）。,（,2,）技术上的原因（客观原因）。,为什么不采用半刚性节点进行结构分析和设计呢？,（,1,）线性关系：（,常数,）,（,2,）非线性关系：（,变数,）,现 代 钢 结 构 进 展,节点的刚度,节点刚度,K,的定义,线性关系,非线性关系,现 代 钢 结 构 进 展,节点的刚度,半刚性连接单元模型,单元两端的,连接柔性,可以通过,转动弹簧,来模拟。,杆件内力与连接刚度之间存在耦合效应，即,弯矩 转角 特性曲线很难确定,。,现 代 钢 结 构 进 展,节点的刚度,采用半刚性连接的技术上的难点,杆件内力,连接设计,连接刚度,现 代 钢 结 构 进 展,节点的刚度,钢结构设计规范,没有给出,关系的具体数值和计算模型，更没有提供半刚性连接的设计方法。,“,框架结构中，,，梁与柱的半刚性连接只具有有限的转动刚度，在承受弯矩的同时会产生相应的交角变化，,在内力分析时，必须预先确定连接的弯矩转角特性曲线，以便考虑变形的影响。,”,钢结构设计规范,(GB50017,2003),的规定（见,第条,）：,基于诸因素,相关,关系,和,非完全相似性,在结构规范体系中明确,提出节点半刚性的计算模型,，真实准确地进行结构工程梁柱节点设计计算（,而不再是假设刚接或铰接,）,。,24,分析方法,现 代 钢 结 构 进 展,节点的刚度,基本分析思路,相关分析,非完全相似分析,灵敏度分析,半刚性本构关系模型,25,输入参数,输出参数,重新审视,已往模型,提出新的模型,非完全相似,灵敏度分析,输入参数,间相关性,统计相关,输入参数,同时变化,隐含相关,相关分析,现 代 钢 结 构 进 展,节点的刚度,系列研究项目,26,国家自然科学基金,：钢管混凝土框架,节点约束刚度,的研究,（,）,国家自然科学基金,：框架节点性能研究,标准方法,研究,（,）,国家自然科学基金,：基于,多因素相关性,的框架节点本构关系分析方法的研究（,）,国家自然科学基金,：基于,非完全相似,和,相关关系,的框架节点性能研究（,）,亚热带建筑科学国家重点实验室基金,：基于半刚性节点和耗能装置的钢结构框架体系优化研究（,）,现 代 钢 结 构 进 展,节点的刚度,结论与展望,27,考虑相关关系和非完全相似性对梁柱节点半刚性 本构进行分析研究,对我国土木工程领域具有,重要,性的意义,；,研究方法,新颖,；,抛砖引玉，具有较广的创新性。,