钢框架结构因其具有强度高,塑性、韧性好,重量轻,抗震性能好等优点,在实际工程中得到越来越广泛的应用。钢框架结构的重要性与工程中的应用促进了理论和实验研究的进展。目前,钢框架的静力稳定理论及设计方法都已趋于完善,但对钢框架的动力稳定性研究还很少,相应的理论研究尚未充分发展。因此,对框架动力稳定性的研究并建立“防倒塌”抗震设计建议具有较重要的理论价值和工程实用价值。 本文主要是对在不同地震作用下柱截面为方形及工字形的两类单层钢框架的动力稳定性进行研究,主要包含以下几部分研究内容: 第 1 部分.按照不同的轴压比和长细比分别设计 12 种柱截面为方形的单层钢框架和 12 种柱截面为工字形的单层钢框架,给出了单层钢框架体系的总体尺寸及特性参数,为 ANSYS 有限元分析提供建模数据。按静力等效原理将单层钢框架结构简化成半柱模型,论证了半柱顶点位移为框架位移的一半,并依据设计尺寸建立了单层钢框架及其半柱模型。而且,还采用 ANSYS 有限元方法对单层钢框架结构及半柱模型进行非线性静力分析,验证了提出的简化模型的正确性。 第 2 部分.采用 NONLIN 软件分析了不同地震作用下的单层钢框架的稳定性,获得了结构考虑P-Δ效应影响的动力失稳时地震波峰值的临界值,为下一步采用有限元法进行动力稳定性分析提供可借鉴的地震波峰值数据。介绍了 ANSYS 中瞬态动力学分析的方法及 APDL 参数化设计语言的应用,依据 NONLIN 软件分析得到的地震波峰值的临界值,调整动力分析时的地震波数据,应用 APDL 语言编制了实现三种地震波在 ANSYS 中输入的命令流。通过对 12 种柱截面为方形的框架进行大规模的动力稳定性分析,发现了在不同地震波作用下,框架的稳定与不稳定时的位移时程曲线、相平面曲线、滞回曲线、及能量时程曲线具有一致性,而且,失稳时的极限位移基本接近。由此,得出了不同地震波的作用对框架结构的动力稳定性影响不大的结论,即框架结构的极限位移与所施加的地震荷载类型无关。 第 3 部分.采用 ANSYS 有限元软件分析了柱截面为工字形的单层钢框架的静力稳定性,发现其水平力—位移骨架曲线与采用修正刚度及截面塑性弯矩理论计算得到的骨架曲线基本相符,进一步证明了双线性水平力与位移之间的关系曲线与框架结构的实际骨架曲线相符合。通过对不同地震作用下柱截面为工字形的框架的动力稳定性分析,得出了与第二部分相同的结论,即对于框架柱截面无论是方形还是工字形的框架来说,其动力稳定性是与所施加的地震荷载类型无关的。 第 4 部分.首先根据前几章的分析结果,总结出控制参数对框架动力稳定性的影响,给出了框架失稳时,地震波峰值与长细比及轴压比的关系曲线,来判定结构失稳时的地震波峰值的变化范围。而后,讨论了几种确定结构极限位移的方法,并结合我国抗震规范及实际工程要求对极限位移进行了研究,从结构变形角度,提出了单层钢框架在实际工程中防倒塌设计的建议。为框架抗震设计提供可参考的依据。