计算长度系数的物理意义及对各种钢框架稳定设计方法的评论

本文将有侧移失稳的框架柱计算长度系数与结构力学的D值法联系 ,论证了柱子计算长度系数计算柱子抗侧刚度系数 ,通过柱子计算长度系数可以较精确地确定整个楼层的抗侧刚度。本文计算表明考虑同层各柱的相互支援对框架柱计算长度系数进行修正后 ,薄弱层柱子的计算长度系数能够得到略偏安全的精度。利用整体分析时各个柱子的计算长度系数存在的关系就可以得到所有其它非薄弱层柱子的计算长度系数 ,且同样略偏安全。通过例子发现框架层与层相互作用的一个重要性质 :层对层的支援 ,对同一层的每个柱子而言 ,获得的好处 (临界力增加 )或贡献出来的刚度 (临界荷载的减小 )具有相同的比例。本文对当前各种框架稳定性计算方法 (传统的线性分析计算长度系数法、线性分析层整体稳定计算法、结构整体稳定计算法和二阶分析法 )

非完全支撑的框架结构的稳定性

设置了支撑架的框架结构,当支撑刚度还不足以使框架柱可按无侧移框架确定计算长度时,如何确定框架柱的计算长度问题,本文对此进行了研究,提出了计算公式.本文还提出了使框架柱可按无侧移计算稳定性的支撑门槛刚度.适当考虑结构初始缺陷和侧向荷载的影响后,此刚度可作为确定框架柱计算长度时区分有侧移和无侧移框架的合理标准.

考虑层与层相互支援的框架柱计算长度系数

框架稳定计算的传统假定导致梁对柱子的约束在上下柱之间按照柱子的线刚度分配 ,因此强柱反而得到更多的约束 ,与实际情况可能不符。本文放弃了传统计算长度系数法的三个理想化假定 ,提出了考虑层与层相互作用的框架柱计算长度的几乎精确的简单代数方法。对于两层框架 ,通过求解一个一元二次方程得到分配给各柱柱端的转动约束 ;对于三层框架 ,通过求解一个一元三次方程得到各柱柱端的转动约束 ;进而由传统公式计算或从规范附表查得 μ值。对于更多层的情况 ,假设相邻层柱子远端的梁约束在上下柱之间按线刚度分配 ,可以得到很精确的薄弱层柱子计算长度系数 ,其它层柱子的计算长度系数则从各柱子计算长度之间存在的关系得到。由于这个模型引入了相邻层柱子远端的梁约束 ,因此可以考虑远端铰支或固定的情况。

无侧移半刚性框架柱的稳定分析

基于现行钢结构设计规范GB50017-2003中柱计算长度的概念,利用柱子框架模型,引入梁线刚度修正系数和柱的相对线刚度比,应用梁柱理论建立了可以同时考虑柱端和梁端不同连接条件的无侧移半刚接钢框架柱计算长度系数的修正公式。基于上述修正公式,提出了计算无侧移框架梁柱连接转动刚度的简化方法:利用弯矩-转角曲线的初始切线刚度确定的切线连接刚度。研究表明,三柱子模型,当柱远端铰接时,按GB50017附录D表D-1得到的计算长度系数设计柱是不安全的,最大误差13.0%,当柱远端固接时,偏于保守,最大误差21.9%;连接刚度的简化方法误差控制在3%以内,具有很好的实用性和精确性,可以代替精确方法用于无侧移半刚性连接框架的稳定设计。

装配式防屈曲支撑构件及框架设计理论

防屈曲构件作为一种性能优越的消能减震构件,在很多国家得到广泛应用。一种新型的装配式防屈曲支撑构件,解决了传统防屈曲支撑由混凝土外围约束构件所导致的加工精度控制困难及湿作业等诸多问题,而且现场组装更加快捷。提出了多种创新型的装配式防屈曲支撑构件形式,其外围约束构件多采用常用型钢或钢板组合而成,外围多个约束构件之间通过螺栓连接并形成捆绑作用。这种装配式防屈曲支撑的设计除了满足一般防屈曲支撑构件的约束比限值要求外,还要对外围约束构件间的"捆绑作用"进行计算以设计螺栓连接,保证多个外围约束构件满足变形协调而作为一个整体构件参与工作。还对一种由防屈曲支撑衍生出的屈曲延迟性构件的计算方法进行了介绍,其在加固改造工程中有很大应用空间。最后对防屈曲支撑框架的抗震性能与设计理论进行了探讨,并对未来研究工作进行了展望。

一个奇特的除尘器钢支架的屈曲问题

本文详细介绍了一种奇特的除尘器钢支架,其奇特之处在于上层柱子布置了两个铰,使得稳定性的计算不能按照普通支撑架计算。本文对这个钢支架的屈曲进行了分析,确定了柱子的计算长度系数,对钢支架按照规范进行了验算,发现按照普通方法验算满足的结构,在考虑了这个结构的奇异特点后是不满足规范要求的。通过一个简单柱子的算例,对层与层之间的相互作用导致的柱子计算长度系数增大的现象进行了说明。

节点板在支撑轴压力作用下的稳定分析

为研究支撑框架结构中与梁柱连接的支撑节点板受压稳定性和影响因素,并给出节点板稳定验算的合理方法,对不同规格的节点板进行特征值分析和全过程双重非线性分析.通过按特征值分析得到的节点板弹性稳定承载力,反推出节点板板柱模型的计算长度系数,得到关键参数对板柱计算长度系数的影响规律,给出简单实用的计算长度系数双线性表达式.通过支撑板式连接节点的非线性分析,得到不同参数下节点板稳定承载力的精确值,在分析其变化规律的同时,验证了按所提计算长度系数表达式确定节点板稳定承载力的合理性.

剪切型支撑框架的假想荷载法

为了在钢结构设计中避免确定框架柱的计算长度的复杂性,提出一种应用于剪切型支撑框架的假想荷载法,将假想荷载作用于框架楼层,与其他荷载组合进行二阶弹性分析,框架柱即可取层高为计算长度进行设计.推导了有水平力和无水平力作用时的假想水平力,发现水平力的作用不影响假想水平力的大小.采用几何和材料非线性分析方法,考虑构件初始弯曲、结构初始侧移和残余应力,研究了多种几何条件和荷载条件下的支撑框架,提出假想荷载近似计算公式,并与有限元结果进行对比.通过实际应用算例分析,验证了该简化公式能够应用于支撑框架的设计.

弯曲型支撑-框架结构的屈曲及位移和弯矩放大系数

本文对等刚度和等轴力的理想化弯曲型支撑-框架结构的稳定性,采用连续化模型进行了研究,得到了整体有侧移屈曲的总临界荷载计算公式,并对均布水平力和倒三角分布的水平力作用下的侧移和内力进行了线性和二阶分析,得到了考虑二阶效应后框架柱弯矩和整体侧移的二阶效应放大系数,提出了简单的计算公式。

小高跨比实腹门式刚架平面内整体稳定性试验研究

采用位移控制加载法,对小高跨比实腹门式刚架在四点集中荷载作用下的平面内的弹性和弹塑性稳定性能进行了静力试验研究。试验模型Ⅰ用来研究刚架在平面内同时考虑几何非线性和材料非线性的稳定性能,试验模型Ⅱ、Ⅲ用来研究刚架在平面内仅考虑几何非线性的弹性稳定性能。吻合良好的试验和分析结果表明,刚架高跨比较小时,一般不发生传统理论所认为的反对称失稳模式,而是以对称失稳模式为主。通过大量的几何非线性有限元参数分析,给出了经修正的小高跨比刚架柱的计算长度系数。

钢结构稳定设计的新进展

本文介绍了近年来框架和冷弯型钢构件稳定承载力计算的新问题和新方法,包括框架先进分析法的实用化,当前广泛应用的计算长度法的改进,弱支撑框架和半刚性连接框架的稳定,大跨度框架无侧移失稳的可能性和计算方法,陡坡山形门式刚架的稳定,冷弯薄壁型钢板件局部相关屈曲,开口截面的畸变屈曲,以及局部和整体的相关屈曲。

三层通高区群柱面外稳定性能与设计方法研究

对带两个等跨布置侧向弹簧支撑的轴压柱(三层通高群柱的面外稳定性等效模型)的研究表明,随着柱子受到支撑作用的增强,柱子最低阶屈曲模态会依次经历单波、双波及三波(完全支撑)三种状态。对于等效模型而言,由于两个弹簧支撑相互独立,其刚度不会随屈曲模态而改变;但是实际三层通高群柱结构中柱子的两个支撑点并非相互独立,对于相同的支撑系统,研究表明柱子单波对称屈曲模态的面外等效支撑刚度要大大弱于双波反对称模态。为此,本文考虑三层群柱面外等效支撑刚度与屈曲模态的相关作用,首先通过理论推导分别建立在单波、双波模态下各柱面外支撑刚度的表达式,实现将柱子的面外稳定性研究模型转化等效单柱模型,进而结合单柱既有研究成果,得到两种模态下柱子弹性屈曲荷载和计算长度系数与等效支撑刚度的关系,并通过弹性屈曲有限元分析验证其准确性;然后,考虑群柱面外几何初始缺陷随机分布的影响,对三层多跨群柱进行二阶弹塑性承载力多参数分析,验证在单波、双波缺陷模式下,按照面外支撑刚度相同的原则,等效单柱模型的轴压稳定设计方法仍然适用于三层多跨群柱的面外稳定性设计。

无侧移半刚性连接钢框架柱的计算长度系数

根据梁柱理论建立半刚性连接梁柱的转角位移方程,在梁端弯矩中考虑半刚性特性,再将横梁对柱的约束弯矩按柱的线刚度之比分配给柱。计算模型采用三柱模型,应用位移法建立无侧移半刚性连接钢框架柱计算长度系数的公式。该计算公式的形式回归到刚性钢框架柱计算长度系数公式,其计算长度系数表与刚性框架柱计算长度系数完全相同,使用方便。

铰接中心支撑钢框架阶形柱计算长度系数

以某火力发电厂主厂房铰接中心支撑钢框架体系为研究背景,对该体系中阶形柱计算长度系数进行了研究。基于小变形弹性稳定理论,推导了一端铰接、一端弹性支承的双阶柱计算长度系数,采用特征值屈曲分析对推导的计算长度系数μ0进行了验证,吻合程度较好。以厂房结构中横向3轴框架为例,采用特征值屈曲分析、弹塑性屈曲分析对推导的μ0及柱的稳定承载力进行了验证。结果表明,按数值计算得到的柱稳定承载力与理论计算值吻合程度较好。建议铰接中心支撑钢框架结构中柱的计算长度系数可按本文推导的公式计算。该方法的优点在于不必对结构的侧移类型进行判断,对于柱发生有侧移失稳的情况,还可考虑上下层柱对所研究楼层柱的约束作用。

平板柱脚的转动刚度和柱的计算长度

平板柱脚在设计中通常作为铰接支座看待,而实际上却具有相当可观的转动约束作用。已发表的平板柱脚转动刚度的研究,大多结合框架柱的平面内稳定问题,本文则着重分析平板柱脚对轴心受压柱屈曲的约束作用。在细致分析现有试验资料的基础上提出转动刚度的计算公式,进而推出依据刚度系数得出柱计算长度系数的近似公式及利用规范表格查找这一系数的方法。为了进一步简化计算,又提出避开刚度计算直接采用0.75为计算长度系数的论证。最后,还分析了平板柱脚对轻型门式刚架柱平面外屈曲的约束作用,认为可以和平面内稳定一样取计算长度系数0.85。

节点板式连接对H形钢支撑面外稳定性能的影响

为研究节点板对H形支撑面外弯曲约束能力和对支撑稳定承载力的影响规律,设计并制作了12个带有节点板的H形支撑(支撑系统)模型试件。进行了轴向等幅往复循环加载条件下的试验研究,得到了支撑端部的节点板连接净距等对支撑稳定承载力的影响规律,建立了往复循环加载条件下受压时支撑稳定承载力的退化准则和屈曲后承载力的建议取值方法。使用有限元方法对试验结果进行了精细化数值模拟,二者吻合效果良好。据此,对带有节点板的支撑系统进行了足尺模型的大规模参数分析。结果表明,支撑长细比、节点板厚度、支撑端部的节点板净距、支撑与梁柱夹角等参数对支撑稳定承载力和节点板面外转动刚度具有显著影响。基于这些关键参数对支撑端部弯曲约束能力的影响规律,并考虑尺寸效应,给出了板式连接节点对支撑面外转动刚度和支撑计算长度系数的建议取值公式,可以用于支撑的稳定承载力计算。

某偏心框架混合减震结构弹性与弹塑性动力时程分析

针对某工程的位移比和位移角超限等问题,本文采用消能减震技术对其进行振动控制,具体方案为结构安装屈曲约束支撑和黏滞阻尼器。对原结构和减震结构进行了弹性和弹塑性动力时程分析,对比了两种结构体系小震、大震下的计算分析结果,并在罕遇地震作用下对原结构和减震结构进行了抗震性能评估。结果表明:屈曲约束支撑和黏滞阻尼器有效控制了结构的扭转效应和层间位移角,改善了结构的塑性损伤情况,从而提高了结构在地震作用下的抗震性能。

框架结构稳定分析的泡函数有限元法

寻求一种既有普通杆件有限元的简洁性,又能求解所有框架结构临界载荷的有效方法．根据框架结构杆件失稳变形和泡函数的特点,采用新的基函数系,在普通杆件有限元的形函数中引入泡函数,得到泡函数有限单元法．泡函数是定义在有限单元上的一个模型,其在单元的边界上为零,而在内部非零．它的应用改善了普通杆件有限元法的收敛性,并使其适用于任何框架结构的屈曲分析．算例表明,泡函数有限元法对于框架结构的屈曲分析具有良好的适应性、稳定性、收敛性和求解效率,是一种进行大型结构屈曲分析的有效方法．

框架-剪力墙双重抗侧力体系柱计算长度系数研究

针对框架-剪力墙双重抗侧力体系,通过刚度特征值综合反映框架与剪力墙的侧向刚度,考察其对框架剪力分担率与屈曲荷载的影响。建立了高度为48 m、72 m、96 m和120 m四个计算模型,分别采用有限元法和简化方法计算结构的屈曲荷载与框架柱的计算长度系数。刚度特征值可以综合反映框架与剪力墙相对刚度以及结构高度的影响,特征刚度值越大,框架分担的剪力也随之增大。框架屈曲荷载修正系数γ可以用于定量表征框架受到剪力墙侧向支撑作用强弱的程度,γ随着结构高度增大迅速减小。当框架-剪力墙高度较大时,其框架部分的屈曲荷载可能低于相应纯框架的屈曲荷载,说明此时框架部分为剪力墙提供了侧向支撑。计算结果表明:对于纯框架,按结构标准层分段加载有限元分析得到柱的计算长度系数在各标准层范围内保持不变,且各标准层之间差异不大;基于同层柱相互支援的修正《钢结构设计标准》法,得到柱的计算长度系数与分段加载有限元分析的结果较为接近,两者误差为−9.5%~14.2%。框架-剪力墙柱的计算长度系数介于无侧移框架与有侧移框架之间;随着结构高度增大,其值与纯框架的计算结果逐渐接近;修正《钢结构设计标准》法得到的计算长度系数与分段加载有限元分析的结果较为接近。由于柱的轴力随楼层高度增大逐渐减小,根据欧拉公式计算得到柱的计算长度系数不断增大,说明逐层加载有限元模型在确定柱计算长度系数方面存在局限性。该文方法可供框架-剪力墙双重抗侧力体系确定框架柱计算长度系数时参考。

基于非全柱失稳模型的钢框架柱计算长度系数

针对传统"七杆模型"在确定计算长度系数过程中关于"全柱失稳"和"所有柱稳定函数相等"的假定与真实情况相差较大,基于非全柱失稳模型,同时考虑柱稳定函数的不同,提出了一种改进方法,并进行了一系列数值计算。研究结果表明:改进方法所得到的计算长度系数的公式与传统方法是一致的,改进方法公式中参数的计算包含了有别于传统方法的失稳模式、梁柱线刚度、柱轴力和其他层的影响,能更加全面地反映框架的失稳行为;改进方法总体上比传统方法具有更高的精度。