钢结构读书报告

空间与平面钢框架的高等分析的认识钢框架的高等分析与设计空间钢框架高等分析方法研究针对现行钢结构设计方法的缺陷与不足，强调了钢结构进行高等分析与设计的重要性，从结构整体稳定的角度，基于改进塑性铰方法，讨论了计算单元、初始缺陷的引入、节点连接刚度及构件的塑性设计、结构的二阶分析等钢结构高等分析的基本要点，并对现行的极限状态分项系数法和改进塑性铰分析方法进行了比较。随着计算机技术和结构分析设计理论的发展,高等分析和设计方法将是未来结构分析和设计实践的一个重要发展方向。高等分析实质上是一种比较精确的结构整体二阶弹塑性分析方法。它充分考虑影响结构稳定性和极限承载力的重要因素，如二阶效应、材料非线性等；它直接考虑构件之间的相互作用，能够描述结构系统的弹塑性内力重分布；它能够真实反映结构在荷载作用下的内力和变形状态，准确评估结构的极限承载力和破坏模式，从而可以免除计算长度系数的计算以及单个构件的承载力验算等繁琐工作；与计算长度方法设计的结构相比，以高等分析为基础设计的结构将更加经济合理,结构中构件的实际可靠度将更加均衡。目前钢结构设计通常分两步进行。第一步为结构分析，即采用弹性分析方法确定结构所有构件在各种外加荷载（作用）及其组合工况下的内力（效应）；第二步为构件设计，基于承载能力和正常使用极限状态，采用设计规范的计算公式求得构件的抗力。如果构件满足各种功能规定的极限状态方程，即构件的抗力大于外加荷载产生的效应，则认为结构是可靠的并具有规范规定的工程结构所必须的可靠度。这种设计方法实际上是基于构件承载能力和正常使用极限状态的结构设计，在结构体系和构件之间通过计算长度的概念联系起来。1、平面钢框架结构的高等分析平面内高等分析框架结构平面内行为的高等分析方法已经比较成熟，分析方法多种多样。进行平面内高等分析时，假定构件侧向被完全约束(即构件不发生扭转或弯扭失稳)，通常要求构件截面为紧凑形式(即不考虑局部屈曲影响)。应用比较广泛的平面内高等分析方法是基于梁柱理论稳定函数的精细塑性铰法。构件的二阶效应由稳定函数考虑,采用LRFD压弯构件的相关方程作为截面的极限承载力，采用塑性铰模型考虑材料非线性，采用CRC切线模量考虑残余应力的影响，用抛物线刚度退化函数考虑截面的渐进屈服，采用缩减切线模量的方法考虑初始几何缺陷的影响该方法使用简单!计算精度和效率高。文献分析结果表明,采用该方法进行平面钢框架分析时,每根构件用一个单元模拟可获得很准确的结果。如果对单元进行适当修正,还可以将该方法应用于柔性连接框架的平面内高等分析。平面外高等分析平面框架如果只进行平面内高等分析，那么仍然需要按规范的要求验算构件的平面外稳定承载力，于是有学者提出了平面外高等分析方法，悉尼大学Trahair等人认为平面外高等分析可视为与平面内高等分析相互独立的屈曲分析。平面外屈曲分析可转化为有限元特征值问题。刚度矩阵应包括屈服导致的刚度缩减效应,其中稳定矩阵应考虑弯矩分布，荷载作用高度以及轴力和弯矩弹塑性重分布的影响。Wongkaew和Chen在考虑平面外弹塑性弯扭屈曲时,采用线性稳定理论，假设平面内变形与平面外线性屈曲行为是非耦合的，通过检查结构平面外刚度矩阵的行列式值确定结构是否发生平面外屈曲。他们采用弯曲、扭转和翘曲。考虑材料非线性和初始几何缺陷对平面外屈曲承载力的影响。刚度缩减系数(有效刚度与弹性刚度的比值)的表达式通过校核LRFD的构件承载力方程获得。另外，Kim和Lee在稳定函数精细塑性铰方法的基础上，根据构件侧向自由长度的大小修正极限屈服面方程中的塑性弯矩承载力，近似考虑平面外弯扭屈曲的影响,将平面内外的稳定性统一在一次分析中考虑,而不再单独进行平面外的分析。2、空间钢框架结构的高等分析空间问题与平面问题相比主要有以下一些难点：（1）单元自由度增加，计算代价成倍增加；(2)空间轴弯扭耦合效应非常复杂，很难精确考虑；（3）空间有限转动无法当作矢量处理；（4）约束扭转和翘曲约束条件难以准确模拟；（5）空间塑性的模拟比平面情况复杂等。空间钢框架的高等分析方法有的以梁柱理论稳定函数单元为基础，有的以插值场有限单元为基础，还有一些方法则综合利用两种单元的优点。基于梁柱理论稳定函数的高等分析方法由于基于梁柱理论稳定函数的精细塑性铰梁单元精度好，计算效率高，能够准确模拟框架的平面内行为。因此，Kim等将该方法推广应用于空间刚性或半刚性钢框架的高等分析。这种方法只能准确模拟构件轴向与弯曲变形之间的耦合效应，而不能考虑弯曲与扭转变形之间的耦合效应，因此它只能有效地模拟空间钢框架各构件的弯曲屈曲行为，而无法模拟构件的弯扭屈曲行为。Liew等采用梁柱理论稳定函数考虑几何非线性，采用双表面塑性铰模型和塑性流动准则考虑材料非线性，允许在单元端部和中点形成塑性铰。该方法的单元同样没有考虑弯曲和扭转变形之间的耦合效应，因此只能有效模拟空间框架各构件的弯曲屈曲行为，而无法模拟构件的弯扭屈曲行为。基于插值场有限单元的高等分析方法通过虚功方程可以方便地考虑轴向!弯曲和扭转变形之间的耦合效应，因此插值场有限单元在空间框架的非线性分析中应用广泛。最常用的是基于位移插值场的单元，材料非线性可采用分布塑性模型或者塑性铰模型考虑。目前常用的商用有限元ANSYS、ABAQUS等软件中的梁单元即基于位移插值场。并采用分布塑性模型利用数值积分方法考虑材料非线性。国内外很多学者研究过各种空间梁单元，并推导了各种单元的弹性或弹塑性刚度矩阵。这些单元绝大多数都是由Hermite三次插值多项式发展而来，并采用分布塑性模型考虑材料非线性，单元能够考虑弯扭耦合效应，大多数单元考虑了翘曲自由度。这些单元的建立方法与商用有限元软件中的梁单元一致。然而，即使是商用有限元软件中功能最强大的梁单元,在进行弹塑性分析时，单元精度和效率也不高。构件通常要用多个单元模拟才能获得较准确的分析结果，对于大型高层结构而言，单元数量很多，计算代价太大，因此采用分布塑性模型的数值积分单元尚不能广泛应用于大型高层结构的分析和设计。为了提高单元的计算效率，还有部分学者采用塑性铰模型或者简化塑性区模型考虑材料非线性。基于混合单元的高等分析方法基于梁柱理论稳定函数的梁单元精度好、计算效率高，但不能考虑弯曲和扭转变形之间的耦合效应;而插值场梁单元能够模拟构件的弯扭屈曲行为，但单元精度和计算效率不高。两种单元具有一定的互补性，因此国外有学者通过综合应用两种单元的优点，发展了新的梁单元和高等分析方法。采用稳定插值函数描述单元横向位移,由虚位移原理推导出单元刚度矩阵,再将单元刚度矩阵与带初弯曲缺陷梁单元的切线刚度矩阵进行合理的分解和重新组合，然后采用塑性铰模型考虑材料非线性后，得到一种能够模拟空间构件的弹性弯扭屈曲行为的新单元文中算例表明，以一个单元模拟构件进行非线性分析可得到很高精度的结果。该方法的不足是没有考虑剪切变形的影响，另外，不能有效模拟结构的弹塑性弯扭屈曲行为。在大型结构分析中，初始阶段构件均采用一个稳定函数单元模拟，当探测到关键构件发生比较严重的分布塑性时，将这些关键构件细分为多个三次位移场子单元。这些构件只在端部强迫满足力和位移的协调，采用静力凝聚方法消除内部自由度，将多段子单元模型缩减为单个梁柱单元。用分布塑性方法评估子单元刚度矩阵考虑塑性沿杆长的渐进发展,而用稳定函数单元描述整个构件的行。现行钢结构设计方法存在以下缺陷：结构内力计算模式与构件承载力计算模式不一致。目前钢结构常用的结构分析方法为一阶弹性分析，不考虑几何非线性和材料非线性的影响。然而，构件达到极限承载力时常常已处非线性弹塑性状态，出现了内力重分布。(2)计算长度的概念并不能准确、有效地反映结构与构建之间稳定承载力的相互关系。（3）不同结构的整体承载能力极限状态可靠度水平不一致。运用高等分析，能够考虑结构的几何非线性、材料非线性、节点连接非线性和各种缺陷的影响，直接求解得到结构的整体极限承载力，免除了按照现行设计规范构件验算公式逐一对各个构件进行截面验算的步骤，完全摈弃了构件计算长度和构件承载力相关方程的概念，明确和统一了结构整体可靠度，大大简化了结构的设计过程，提高了设计的安全性和效率。