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              多高層鋼結構的分類及其穩定性設計

              更新時間:2016-11-23 16:23:32 點擊數:1449

              多高層鋼結構的分類及其穩定性設計

                在建筑物的設計中,設計人員首先必須給建筑物進行分類,各種規范還根據建筑物的類型、層數、荷載類型等,有針對性地提出對設計很有價值、有時可以簡化設計的分類規定,比如規定了抗震設計時何時采用反應譜基底剪力法、反應譜振型分解法和時程分析法等等。各種分類的目的是為了建立概念框架,從而進行合理而方便的設計。本文介紹與鋼結構穩定性計算有關的分類,并澄清一些概念。

                二、有側移框架和無側移框架的概念―88)1第5.2.2條最末尾有這樣一個注:無側移框架系指框架中設有支撐架、剪力墻、電梯井等支撐結構,且其抗側移剛度等于和大于框架本身抗側移剛度的5倍者;有側移結構系指框架中未設上述支撐者,或支撐結構的抗側移剛度小于框架本身抗側移剛度的5倍者。

                雖然建筑物側移的大小直接與結構抗側剛度有關,但上述概念涉及到“有”和“無”的問題,在一定程度上引起了工程界和學術界的誤解。

                正確的答案應該如何引入,如果意識到所有的結構在風荷載等水平力作用下均有側移,對無側移框架的定義就必須采用相對的、比較的手段。Eurocode3規定,在雙重抗側力結構中,如果框架承受的總水平力小于等于總剪力的20%,則可以以足夠的精確度假設所有的水平力都由支撐架(或剪力墻)承受,框架本身不承受水平力,從而這個框架可以作為無側移框架;不滿足上述規定的框架-支撐結構體系中的框架是有側移框架。根據這個規定,可以知道:無側移框架是一個相對概念,是在與支撐架、剪力墻的抗側剛度比較中獲得的,由此只有在雙重抗側力體系中的框架才會有無側移和有側移的區分。

                架可以按照不承受水平力進行設計。

                表示了兩個結構,(a)主框架如果剛度比小框架大得多,則小框架可以按照無側移框架進行設計,所有的水平力由大框架承受,包括作用在小框架上的水平力。(b)框架在支撐架剛度很大時可以按照無側移進行設計,所有水平力由支撐架承受。

                純框架如果無主框架和副框架之分,則純框架是有側移框架。

                上述分類的方法不涉及到框架的穩定性計算,而只是對框架進行一個分類,了解建筑物各子結構在承受水平力上的相對比例,在框架分擔的水平力小到一定程度時可以進行簡化的力學分析。

                在計算機設計的時代,有側移和無側移框架的區分沒有帶來計算上的好處,但對于初步設計以及對所設計的框架進行定性定類的了解,還是很有意義的。

                三、側向柔性結構和側向剛性結構側向柔性結構和側向剛性結構這兩個概念在我國還沒有引進,而在新的正在修訂中的鋼結構設計規范〉和已經頒布的高層民用建筑鋼結構技術規程―98)中已經采用與這兩個概念有關的一些規定。側向剛性結構和側向柔性結構的定義如下為0則這個結構為側向剛性結構,V,H,各h,分別為某一層的豎向荷載總和、層剪力、在層剪力作用下的層間側移和層高;不滿足上述條件的結構為側向柔性結構。上式左邊項的物理意義需要解釋。層間抗側剛度一般為:今設計人員可能會認為結構側向的“剛”和“柔”應根據S,(或根據水平力作用下的側移纟大?。﹣韰^分,但這僅僅是結構側向剛性與否的一個方面。從穩定性角度研究,重力荷載是使結構發生失穩的因素,失穩意味著結構失去進一步抵抗荷載的能力,也即結構達到了剛度為零的狀態。是什么使結構剛度從初始剛度S,變化到零,這個罪魁禍首就是重力荷載。因此重力是一個負剛度,其值為,。

                根據上述定義,一根不承受豎向力的細長的懸臂柱屬于側向剛性結構。對細長懸臂柱的這個分類結果令對穩定理論了解不深的設計人員困惑不解。這里我們只能強調,這個柱子沒有二階效應,不要將側向剛性和側向柔性的概念與側向位移驗算等效起來,而是要與結構的穩定性計算聯系起來。

                為什么要引入這兩個概念,主要是為了便于設計人員對結構的穩定性有直觀的了解。對于一個側向剛性結構:1)結構的內力分析可以只進行一階分析,因為它的二階效應很??;)由于二階效應小,發生有側移失穩的傾向很小,可以近似地按層高作為它的計算長度,以簡化設計。雖然對于純框架,取有側移失穩的計算長度計算框架柱的穩定性更為合理一些。

                對一個側向柔性結構必須采用合適的方式考慮二階效應的影響。有三種方法考慮二階效應的影響:1)框架柱計算長度法;)框架內力分析采用二階分析:假想水平力法等近似的方法和精確的二階分析方法,柱子穩定性計算可以偏安全地取層高為計算長度或甚至采用無側移失穩時的計算長度系數;3)放大系數法:將內力和位移乘以Disdnger系數,與這里相似)。引進這一對概念的目的是為了方便設計人員選擇合適的圖表和公式確定框架柱的計算長度系數,也是為了與傳統的“側移”概念相區別:什么時候采用有側移失穩的框架柱計算長度系數,什么時候允許采用無側移失穩的框架柱計算長度系數?,F行的鋼結構設計規范(GB17―88)第5.2.2條的注也是為了同樣的目的。

                ―88中這一條的有關定義,采用這一條的名稱,因為這一條的名稱與結構力學分析對應的有側移和無側移相混淆,而這一條的實質是為了對框架結構的失穩模式作出判斷,并不是結構實際是否發生側移。這是其一。

                名稱,內容不變行不行,這就要看這一條規定來的合理不合理了。這條規定是結構穩定理論中重要的、基本的問題。但是無法在國內的資料上看到、查閱到這一規定的來源。GB17―88是參照歐洲鋼結構協會ECCS1977年出版的鋼結構穩定手冊:12第八章中的一個注來規定的。今天再來看這個注,可以注意到,它并沒有談到穩定計算問題,倒是有這樣一句:oftheverticalloadonly很明顯,注的意思仍然是滿足5倍的條件時可以不考慮水平力的影響。注本身并沒有問題,問題出在這個注在這本手冊中的位置恰恰是講框架穩定性計算的地方,因此可以認為當時撰寫這部分的學者認為這個5倍的標準是用來決定框架的失穩模式的。

                3中有關有側移框架和無側移框架的劃分:框架的抗側剛度不到支撐架抗側剛度的1/5時,分擔到的水平力不到20%,此框架可看作為無側移框架,按不考慮水平力的作用來進行框架的設計。

                而按我國規范,則此框架可以按無側移失穩的模式計算框架柱的穩定性。如此一比較可以發現,規范GB17―88規定的用途與Eurocode3規定的用途在目前是不同的,因此有必要進行新的研宄。

                對各國規范的考察發現,對什么時候可以采用無側移失穩的柱子計算長度系數,美國規范沒有明確規定。引用美國AISC1993規范C2.FrameStability一節的原文可以看出目前對這個問題的無奈:“Theverti- 1990,對框架結構引入如下定義:強支撐框架是支撐的抗側剛度足夠大,使得框架以無側移的模式失穩的框架。強支撐框架按照無側移失穩的框架柱計算柱子的計算長度系數。

                弱支撐框架是支撐架的抗側剛度不足,不能使框架發生無側移失穩的被支撐框架。弱支撐框架的框架柱的穩定承載力按照下式計算層的穩定性:載力,帶下標1的表示無側移失穩時框架柱的承載力,S是支撐架的抗側剛度,Sth是支撐架的門檻剛度,是強支撐框架的判定準則,n是某一層的柱子總數,包括所有被支撐的框架柱,也包括構成支撐架立柱的柱子。因為如果交叉支撐桿,這些原先為支撐架一部分的立柱與其余框架一起發生有側移失穩,因此支撐架立柱本身的穩定承載力也因為支撐桿的引入而得到了提高。

                在彈塑性狀態工作時,式(2)仍然成立。因為確定計算長度系數的目的是計算框架的承載力,按照式(2)計算避開了計算弱支撐框架的柱子計算長度這一中間步驟,直接確定其承載力。

                純框架是未設置任何支撐的框架,純框架結構按照有側移失穩的框架柱計算柱子的計算長度系數。

                五、強支撐框架的判定準則純框架結構當然發生有側移的失穩模式;在純框架結構中增設支撐將使結構的穩定承載力得到提高,根據文,的研宄,臨界荷載的提高部分可以偏安全地按正比于支撐的抗側剛度計算,見;設置支撐后,失穩模包含了有側移模式的分量和無側移模式的分量,隨著支撐剛度的增加,有側移的分量越來越小,當支撐的抗側剛度大到一定程度時,結構的失穩模式發生根本變化:失穩模不包含任何有側移的分量。

                根據上述現象,我們可以得到如下結論:即強支撐框架的判定準則必須將支撐架的剛度與柱子無側移失穩和有側移失穩的承載力之差聯系起來,因為支撐是整個結構的支撐,所以必須對所有柱子求和。

                據作者對支撐問題的研宄及國外對同類問題的研宄的結論:結構的承載力是支撐提供的,支撐抗側剛度有多大,臨界荷載就有多大。

                要使這個結構發生無側移失穩,則起支撐作用的懸臂柱的抗側剛度必須達到:如H x)的合理性和存在的問題。


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