圆钢管空间桁架结构的直接分析设计方法研究

目前国内外多部钢结构设计标准将直接分析法推荐为钢结构分析设计首选方法,然而对应用于圆钢管空间桁架结构这一结构形式的直接分析法中,构件初始缺陷的施加方向、施加初始缺陷后构件的模拟方法、截面纤维划分方法的实施细则并未详细说明,还存在亟需解决的问题。故采用基于位移的梁柱单元,综合考虑几何非线性、材料非线性、圆钢管空间桁架结构整体初始缺陷、圆钢管构件初始缺陷等对结构稳定和承载力有重要影响的因素,对结构进行非线性分析及满应力优化设计,提出了圆钢管空间桁架结构直接分析设计流程。以某实际工程中三心圆桁架结构的一榀主桁架为例,对比了不同的构件等分数、初始几何缺陷的施加方向和不同的圆钢管截面纤维划分数情况下的结构z向最大变形,构件的应力、轴力和弯矩结果,研究了这三个因素对圆钢管空间桁架结构直接分析结果的影响规律。通过与传统一阶弹性分析方法计算结果对比,以验证提出的圆钢管空间桁架结构直接分析设计方法在工程实际中的适用性。结果表明:在1.3D+1.5L和0.9D+1.5W组合工况下,随着引入初始缺陷后构件等分数的增加,计算的桁架变形及构件的应力均逐渐增大;随着构件初始几何缺陷施加方向绕构件二轴方向旋转角度的增加,直接分析计算得出的结构z向最大变形、构件的应力和二轴弯矩均呈现递减趋势,其中构件二轴弯矩受影响较大,其变化率超过80%;由于圆钢管壁厚相对周长而言小很多,径向等分数从2增加到4时,结构计算结果变化十分有限,变形和应力的变化率均小于0.1%;在0.9D+1.5W组合工况下,环向等分数为32时的结构z向最大变形与环向等分数为4时相差达15.9%,说明截面环向划分数对结构刚度有着不可忽略的影响;对于圆钢管空间桁架结构中构件长细比较小的构件,直接分析设计方法与传统一阶弹性分析方法两者计算得出的应力较为接近,两种工况下应力结果差异小于3%,而对于细长构件,两种计算方法的计算结果差距较明显,差异可达25.5%。