钢框架结构稳定承载力分析的广义塑性铰法

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钢框架结构自重轻、布置形式简单、抗压和抗扭性能好、材料环保耐用,是一种可靠、经济、可持续的建筑结构,现广泛用于工业厂房、多层和高层商住、办公等建筑。塑性区法与传统二阶塑性铰法可以精确求解结构的稳定承载力,但需要在材料应力层面或构件内力层面开展繁琐耗时的增量非线性迭代分析,理论复杂、计算效率低。相较之下,广义塑性铰法以塑性铰的出现为标志,将结构极限承载力分析转化为分段线弹性分析,并利用外荷载与单元承载比之间的比例特性快捷分析钢框架结构的极限承载力,理论简洁、计算效率高。但是该方法尚未考虑几何非线性、初始几何缺陷以及残余应力等稳定性因素对结构极限承载力的影响。鉴于此,本文针对钢框架结构稳定承载力进行了系统研究,并在广义塑性铰法基础上研究建立了能够准确考虑稳定性因素影响下的钢框架结构极限承载力分析方法。主要研究内容与结论如下:(1)针对现行钢框架结构极限承载力常用的塑性铰分析方法:一阶塑性铰法、传统二阶塑性铰法和广义塑性铰法。从理论推导、计算步骤以及截面屈服判据等方面进行了细致研究;分别利用这三种方法分析了两个钢框架结构的极限承载力,并以塑性区法的计算结果为基准解以验证不同方法的计算精度;通过对算例结果的对比分析,明确了不同方法的计算精度、计算效率与适用范围,为现行广义塑性铰法的进一步改进指明了方向。(2)基于截面组合法建立了工字形和H形截面能够反映截面几何特征的显式广义屈服函数;利用回归分析建立了满足比例特性的齐次广义屈服函数;在广义塑性铰法中引入基于结构变形后几何位置推导的非线性刚度矩阵,结合外荷载与单元承载比之间的比例特性,建立了能够以线弹性迭代方式计算钢框架结构稳定承载力的二阶广义塑性铰法;最后分别采用广义塑性铰法、传统二阶塑性铰法和二阶广义塑性铰法计算了三个校准算例极限承载力,对计算结果对比分析,验证了本文方法精确性和高效性。(3)利用国内外文献中大量的压弯构件实验数据遴选确定了能够有效反映在几何非线性、初偏心、初弯矩以及残余应力等稳定性因素影响下构件承载能力极限状态的规范稳定承载力相关方程;利用回归分析建立了满足比例特性且能有效考虑各类稳定性因素影响的稳定齐次广义屈服函数;在此基础上建立了能以线弹性方式准确计算各类稳定性因素影响下钢框架结构极限承载力的稳定广义塑性铰法;最后利用其分析了三个校准框架极限承载力,并和塑性区法、传统二阶塑性铰法和二阶广义塑性铰法计算结果对比分析,在验证了稳定广义塑性铰法的准确性和高效性的同时,明确了本文建立的两种方法各自特点与适用范围,为在不同情况下合理选择分析方法提供了依据。
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