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考虑二阶效应的钢框架抗震设计研究

作　者: 薛强
导　师: 郝际平
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 钢框架 P-Δ效应 P-δ效应轴力负刚度弹塑性抗侧刚度层轴压比结构稳定系数
分类号: TU391
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来地壳运动活跃，地震已成为危害人类生命财产安全的最大的自然灾害。如何提高结构抗震性能，更好的实现抗震设防目标，改进结构设计方法一直是结构工程科研关注的重点和热点。钢框架在低、多层建筑中应用普遍，但该类结构刚度较小，二阶效应成为影响其抗震性能的重要因素，尤其在中、大震下影响较为明显，在工程设计中如何正确的考虑二阶效应是目前研究的热点之一。本文针对二阶效应，对以下几个方面内容进行研究：国内外关于二阶效应和抗震设计方法的最新研究进展；钢框架弹性抗震抗侧需求刚度与弹性稳定分类的相关关系；整体和初始缺陷对结构抗侧刚度的影响；钢框架弹塑性抗侧刚度的影响因素；最后根据分析计算成果，给出考虑二阶效应的抗震设计建议和对策。具体研究内容如下：目前《钢结构设计规范》是通过弹性稳定来考虑结构整体二阶效应，采用该法在地震工况设计钢框架时，存在物理意义不清晰，与抗震设计方法不匹配等问题。基于此，本文总结国内外关于钢框架考虑二阶效应的抗震设计研究的最新进展以及目前国内外抗震设计方法，为研究提供相应基础。依据轴力负刚度的概念，分析钢框架弹性稳定设计实质，并得出钢框架弹性抗震设防需求刚度和弹性稳定分类相关关系，探讨分析钢框架、支撑钢框架结构的抗侧刚度需求和计算长度系数等参数之间相互关系。研究得出：弹性抗震设防需求刚度可能大于静力荷载稳定需求刚度；根据分析结果，在目前设计方法的基础上，推导得出考虑层抗侧刚度的弱支撑、纯框架计算长度系数修正公式，以造粒塔为工程背景，给出该类异型钢框架结构的稳定设计建议和方法，并应用于陕西兴平、广西柳州、福建邵武等三地的化肥厂造粒塔建设，加快了塔桅的建造速度，取得了良好的经济效果。钢框架结构的初始缺陷和影响稳定的因素主要有结构整体初始侧倾、构件初始弯曲、残余应力、结构整体几何P-Δ效应。将Vogel标准框架作为有限元分析参数校正基础，对大量不同几何、荷载参数的钢框架进行数值模拟，包括不同轴压比、不同层数、不同截面钢柱和长细比的钢框架。采用归纳法总结各个稳定因素和初始缺陷对钢框架结构的抗侧能力影响，并研究钢框架结构在侧向地震荷载下的塑性、位移、应力状态。最后得出：焊接H型、热轧H型钢、焊接箱型柱钢框架的初始缺陷和重力下几何大变形对结构的抗侧能力影响均很小，只有残余应力影响相对较大。在以上数值分析基础之上，进一步研究钢框架弹塑性抗侧刚度和弹性稳定系数取值的影响因素。研究得出：弹塑性抗侧刚度和稳定系数的最主要因素是钢柱轴压比，随着轴压比的增大，抗侧刚度减小，即影响弹塑性抗侧刚度的主要因素是材料非线性而非几何大变形；同时研究发现，梁端约束刚度、非均匀荷载对弹塑性抗侧刚度影响较小；随着钢柱长细比的减小，弹性稳定系数的极限取值减小。最后，在总结数值计算结果的基础上，给出考虑二阶效应的设计对策和建议。提出以地震力计算为基础的钢框架计算长度系数修正方法；相比结构弹性稳定系数，按层轴压比控制结构弹塑性抗侧刚度更加合理；并给出支撑框架结构的剪力分配设计建议；为考虑二阶效应，分析了将高等分析应用于钢框架抗震设计的合理性，并给出加载模式和初步的评估方法；最后以造粒塔为工程背景，给出了将高等分析应用于实际工程抗震设计的具体建议，并应用于陕西兴平化肥厂造粒塔抗震性能评估。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
1 绪论  13-34
  1.1 选题背景  13-28
    1.1.1 抗震设计方法发展概况  14-17
    1.1.2 各国规范考虑二阶效应抗震设计方法简述  17-23
    1.1.3 抗震设计考虑二阶效应的必要性  23-25
    1.1.4 考虑二阶效应的抗震设计方法研究现状  25-28
  1.2 钢框架考虑二阶效应抗震设计分析  28-31
    1.2.1 钢框架结构地震荷载下整体破坏模式分析  28-29
    1.2.2 静力荷载工况弹性稳定设计与地震工况弹性抗侧需求刚度相互关系  29-30
    1.2.3 钢框架静力荷载二阶效应与地震二阶效应影响因素  30
    1.2.4 本文拟采用的研究方法和思路  30-31
  1.3 本文主要研究工作  31-32
  1.4 本文创新点  32-34
2 钢框架抗震设防需求刚度与弹性稳定分类  34-68
  2.1 钢框架弹性抗侧刚度和弹性稳定设计实质  34-58
    2.1.1 钢框架结构弹性稳定设计实质  34-38
    2.1.2 钢框架结构抗震弹性抗侧刚度需求与静力稳定相互关系  38-39
    2.1.3 纯框架弹性抗震需求刚度与稳定参数相关分析  39-45
    2.1.4 支撑钢框架弹性抗震需求刚度与弹性稳定分类  45-51
    2.1.5 弹性层抗侧刚度与计算长度系数的相互关系  51-58
  2.2 工程应用实例  58-63
    2.2.1 工程概况  58-59
    2.2.2 屈曲分析确定的计算长度系数  59-60
    2.2.3 考虑层抗侧刚度的计算长度系数  60-61
    2.2.4 环状加强桁架的刚度设计要求  61-63
    2.2.5 有限元截面校核时应注意的问题  63
  2.3 多层钢框架结构抗侧刚度需求求解  63-66
    2.3.1 需求抗侧刚度求解方法  63-66
    2.3.2 算例  66
  2.4 本章小结  66-68
3 初始缺陷和二阶效应对钢框架塑性抗侧刚度的影响  68-120
  3.1 影响因素分析和有限元模型  68-87
    3.1.1 结构初始缺陷  68-69
    3.1.2 非线性有限元问题综述  69-70
    3.1.3 钢材的本构关系  70-75
    3.1.4 有限元模型建立  75-76
    3.1.5 初始缺陷的施加  76-81
    3.1.6 基于多点位移加载方法及软件实现  81-84
    3.1.7 研究分析方法验证  84-87
  3.2 地震工况下焊接 H 型钢框架结构弹塑性响应  87-106
    3.2.1 模型参数  88-90
    3.2.2 塑性发展状态  90-95
    3.2.3 结果分析  95-99
    3.2.4 计算名义应力和实际应力比较  99-102
    3.2.5 焊接 H 型钢钢框架塑性发展(弱轴)  102-106
  3.3 轧制 H 型钢和焊接箱型钢框架结构弹塑性响应  106-118
    3.3.1 轧制 H 型钢钢框架塑性发展(强轴)  106-110
    3.3.2 轧制 H 型钢钢框架塑性发展(弱轴)  110-114
    3.3.3 焊接箱型钢柱钢框架塑性发展  114-118
  3.4 结果分析和归纳  118-119
  3.5 本章小结  119-120
4 钢框架弹塑性抗侧刚度影响因素分析  120-150
  4.1 结构弹塑性二阶效应的控制指标  120-124
    4.1.1 结构指标：结构稳定系数  120-122
    4.1.2 构件指标：构件塑性校核公式  122-124
  4.2 悬臂柱的弹塑抗侧刚度研究  124-132
    4.2.1 悬臂柱弹性状态抗侧刚度研究  124-125
    4.2.2 悬臂柱塑性状态抗侧刚度研究  125-132
  4.3 H 型钢门式钢框架弹塑性抗侧刚度影响因素(强轴)  132-146
    4.3.1 轴力负刚度影响分析  133-139
    4.3.2 梁柱刚度比—柱端约束影响分析  139-142
    4.3.3 非均匀荷载影响分析  142-144
    4.3.4 残余应力影响分析  144-146
  4.4 刚架弹塑性抗侧刚度影响因素分析  146-148
  4.5 本章小结  148-150
5 考虑二阶效应的钢框架抗震设计对策  150-166
  5.1 以规范为基础的抗震设计建议  150-152
    5.1.1 钢柱稳定设计公式及整体二阶效应的考虑  150-151
    5.1.2 地震抗侧需求刚度和弹性稳定分类和计算长度系数修正  151-152
    5.1.3 钢框架构造设计建议  152
  5.2 结构稳定系数的设计建议  152-156
    5.2.1 延性设计方法和地震力的折减  153-154
    5.2.2 稳定系数的取值与地震力折减系数的相关性研究  154-155
    5.2.3 关于支撑框架的剪力分配建议  155-156
  5.3 基于高等分析的钢框架抗震设计方法应用  156-159
    5.3.1 二阶效应分析的本质和加载方式研究  156-158
    5.3.2 加载方法及算例  158-159
  5.4 工程应用实例  159-165
    5.4.1 计算模型相关参数  159-160
    5.4.2 塑性铰修正及布置方法  160-161
    5.4.3 计算结果  161-164
    5.4.4 结果评价  164-165
  5.5 本章小结  165-166
6 本文工作总结与展望  166-170
  6.1 本文工作总结  166-168
  6.2 本文创新点  168
  6.3 进一步工作的设想  168-170
致谢  170-171
参考文献  171-178
附录Ⅰ 研究生期间发表论文  178-179
附录Ⅱ 研究生期间参加的科研项目  179

考虑二阶效应的钢框架抗震设计研究

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