基于結(jié)構(gòu)極限承載力的輕型鋼框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論及應(yīng)用研究.pdf

1、鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能好、工業(yè)化程度高、施工速度快、符合環(huán)保要求、符合可持續(xù)發(fā)展概念和科技含量較高等優(yōu)點(diǎn)，隨著我國(guó)實(shí)行積極采用鋼結(jié)構(gòu)的政策以及我國(guó)鋼總產(chǎn)量進(jìn)一步提高，建筑鋼結(jié)構(gòu)得到迅速的發(fā)展，特別是在住宅、辦公和旅館等鋼結(jié)構(gòu)建筑中得到越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，鋼框架結(jié)構(gòu)是一種多高層建筑常用的結(jié)構(gòu)形式，但鋼框架結(jié)構(gòu)容易失穩(wěn)，另一方面，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法存在著結(jié)構(gòu)彈性內(nèi)力分析與構(gòu)件彈塑性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)、把強(qiáng)度與穩(wěn)定分開(kāi)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)等不

2、合理現(xiàn)象，因此，對(duì)解決以上問(wèn)題進(jìn)行研究具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。 隨著多高層輕型鋼框架的廣泛應(yīng)用，它的設(shè)計(jì)理論與方法是目前學(xué)術(shù)界和工程界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。雖然人們已對(duì)多高層鋼結(jié)構(gòu)的空間靜、動(dòng)力特性進(jìn)行了大量研究，但由于涉及因素很多，十分復(fù)雜，至今許多問(wèn)題尚未圓滿解決，特別是多高層輕型鋼框架二階非彈性分析的計(jì)算理論和方法。在計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展的時(shí)代，使得人們?cè)谶M(jìn)行試驗(yàn)研究的同時(shí)，有可能通過(guò)理論分析進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和發(fā)展多高層輕型鋼框架二階非彈性

3、的計(jì)算理論，建立基于結(jié)構(gòu)極限承載力的設(shè)計(jì)理論和方法，研究有效和實(shí)用的方法，以達(dá)到為輕型鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)服務(wù)的目的。在分析國(guó)內(nèi)、外有關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，本文主要研究和探討了基于結(jié)構(gòu)極限承載力的輕型鋼框結(jié)構(gòu)架計(jì)算理論和應(yīng)用，重點(diǎn)研究和建立了輕型鋼框架結(jié)構(gòu)二階非彈性分析方法和基于結(jié)構(gòu)極限承載力的計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法。采用計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了可完成以上理論分析的數(shù)值分析計(jì)算程序，為輕型鋼框架的二階非彈性分析及基于結(jié)構(gòu)極限承載力的設(shè)計(jì)方法提供了方

4、便實(shí)用的應(yīng)用工具和手段。通過(guò)算例和ANSYS軟件論證了本文方法的實(shí)用性、有效性和可靠性，并且對(duì)基于遺傳算法的多高層輕型鋼框架優(yōu)化設(shè)計(jì)方法也進(jìn)行了研究。論文主要工作和主要結(jié)論如下： (1)根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，建立了考慮剪切變形效應(yīng)的基于穩(wěn)定插值函數(shù)的多高層輕型空間鋼框架幾何非線性分析的有限元模型；利用修正的拉格朗日列式，從增量虛功平衡方程出發(fā)，推導(dǎo)了鋼框架結(jié)構(gòu)梁柱單元空間二階彈性分析的剛度矩陣；研究了基于穩(wěn)定插值函數(shù)考慮剪切變形

5、效應(yīng)的鋼框架空間幾何非線性分析的梁柱理論模型。在‘拉彎模型’基礎(chǔ)上，首次提出了扭轉(zhuǎn)翹曲穩(wěn)定函數(shù)的概念和計(jì)算公式，并推導(dǎo)了基于扭轉(zhuǎn)翹曲穩(wěn)定插值函數(shù)的開(kāi)口輕型薄壁梁柱單元的扭轉(zhuǎn)翹曲剛度矩陣；同時(shí)提出了側(cè)扭幾何剛度矩陣； (2)基于平面精細(xì)化塑性鉸模型，考慮梁柱構(gòu)件的剪切變形、側(cè)扭變形、翹曲變形、p-delta效應(yīng)、殘余應(yīng)力、幾何初始缺陷和材料漸進(jìn)屈服等影響后，把平面鋼框架精細(xì)化塑性鉸法推廣應(yīng)用到輕型框架空間二階非彈性分析中；把有限元

6、法與梁柱理論法結(jié)合起來(lái)，提出了一種新的輕型鋼框架空間二階精細(xì)化塑性鉸分析法；建立輕型鋼框架結(jié)構(gòu)極限承載力的設(shè)計(jì)方法；研制了基于精細(xì)化塑性鉸概念的輕型鋼框架空間二階非彈性分析軟件，成功地實(shí)現(xiàn)了輕型鋼框架結(jié)構(gòu)空間二階非彈性分析及基于結(jié)構(gòu)極限承載力的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)了輕型鋼框架空間二階塑性區(qū)分析，同時(shí)還與一些試驗(yàn)結(jié)果及算例進(jìn)行了對(duì)比，利用這些方法驗(yàn)證了本文提出的理論和方法的正確性及精度。 (3)針對(duì)目前各種連接模型都存

7、在一定缺陷，提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法的半剛性連接節(jié)點(diǎn)M-θr計(jì)算模型。推導(dǎo)了半剛性連接輕型鋼框架結(jié)構(gòu)空間二階非彈性分析新的切線剛度矩陣，建立半剛性連接輕型鋼框架結(jié)構(gòu)空間二階非彈性分析和結(jié)構(gòu)極限承載力設(shè)計(jì)新的計(jì)算方法。在考慮節(jié)點(diǎn)半剛性連接、p-delta效應(yīng)和剪切變形之后，提出了柔性連接多高層輕型鋼框架結(jié)構(gòu)自振周期的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，這使采用底部剪力法在計(jì)算柔性連接多高層輕型鋼框架地震作用時(shí)，更加符合半剛性連接多高層輕型鋼框架的實(shí)際受力和變形