土木工程外文翻译---建筑钢结构设计的先进分析

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建筑钢结构设计的先进分析

（夏威夷大学土木工程系，美国 夏威夷 96822） 摘要：对设计者，钢结构建筑2005LRFD 规范使得在弹性和塑性范围内之行为与最高负荷极限状态下认明确的结构抵抗成为可能。有一种提高实际次级分析的方法,来直接测定整体结构的系统响应。本文尝试用一个简单的、简洁的、合理的综合理解来介绍一些理论和实践方法，这些方法已经在传统的、现代的工艺设计的钢结构建筑结构当中应用。

关键词：先进的分析、钢结构建筑设计、介绍

1. 导论

结构设计的目的是为了产生一种物质结构能够承受的环境条件。整个设计过程中,从装载的基础上到尺寸都存在风险和费用,但基本上最终的设计是结构材料的性能和结构构件的几何缺陷的一个反应,特别是在构件生产和加工中诱发的其力学性能及残余应力,它定义了材料与构件在环境动力下的特征响应。

目前, 在工程设计实践中,有一个基本两个阶段过程的设计操作。首先,结构的每个结构构件上作用的力必须要计算出来；其次，那些有力作用在上面的每一个结构构件的承载力必须要确定。第一阶段包括分析作用在这些结构构件上的力和弯矩的分布；第二阶段,包括对这些构件的承载能力的认识，来抵抗作用在它们上边的力和弯矩。越全面的理解这些知识，设计就会更加精确，结构会更加可靠。 因为构件的承载能力取决于作用在构件上的荷载类型、几何缺陷、性质、材料和残余应力的性能，对构件的承载能力的理解,大多数是根据以轴向受力构件的端柱的强度曲线,受弯构件简支梁弯曲强度曲线,构件受到轴力和弯矩相互作用下的梁柱影响曲线的形式的满载实验决定的。这些构件的强度曲线正式的被编成构件强度曲线或者方程用于实际设计。

将框架结构构件分成三种类型,即柱、梁和梁柱。它们各自的强度,通过理想节点或边界条件下的满载实验确定,下一阶段必须彻底简化在应力下的材料特性,以这样的方式来很容易的协助工程师分析应力分布,以估量框架结构中的结构构件。实际上工程师主要基于材料线性弹性条件下的简单模型设计的，因为那些早期的设计基于容许应力法。

在这个过程中,材料的时间有关的影响假定是无关紧要。这确实是在长期的行

指导教师评定成绩 (五级制)：

指导教师签字：

为下很大的简化了材料性能。所以这一次独立的简化,现在设计过程集中体现在降低应力水平或者结构上作用工作荷载时的水平。这个大的安全系数是用来调整设计时考虑非弹性特性来避免失败。在实际工程中大多数的结构分析基于线弹性分析。一阶线性弹性分析在早期已经被结构工程师完全证明,而一个结构体系的二阶线性弹性分析已经在发展并在近些年来被逐渐的利用。

2.缩放因子下的一阶弹性结构分析

在一个框架框架结构中的杆件的边界条件和一个单独杆件的边界条件是很不同的,它作为柱端强度曲线(铰接端条件)或梁强度曲线的条件(如简支梁端点条件)发展的根据。为了估算框架构件,构件的边界条件必须调整到相等的端节点条件来进行柱的设计,比如,柱的强度曲线,可以刚好用于确定框架构件必须的尺寸(见图1)。

为实现这一等效,有效长度系数或缩放因子已经被广泛的应用在过去的与引脚端柱强度曲线相关的一个结构体系的框架构件的设计中。有效长度的方法提供了一个良好的框架结构的设计方法。该方法已被广泛应用于现代钢结构设计规范,包括在早年的容许应力设计和塑性设计，和在最近数年的负荷和阻力系数的设计[1]。然而,尽管它很普及,但是有几个主要的局限性和缺点。

图1、结构体系之间相互作用的影响及其组成构件

首先它不会给一个准确的对失败因子的估计,因为它不能够用正确的方法考虑结构体系、构件两者之间的强度和稳定性的相互作用的影响。这是一个公认的事实,结构体系的实际的失效模的往往没有任何的相似，无论是根据有效长度系数K确定的结构体系的弹性屈曲模式。

第二,也许是最严重的限制,可能是当前两阶段阶段设计过程的基本原理：弹

性分析是用于确定一个结构体系的每个构件上作用的荷载的分布,而构件的极限强度曲线被开用于设计是基于满布荷载或非弹性分析且每个构件被看成单独的组件[3，2]。没有验证框架一部分的独立的构件与构件之间的兼容性。个别构件的强度方程中规定的规格不关心系统的兼容。因此,尚无明确的保证，所有构件将维持他们在设计荷载作用下的几何形态。

有效长度的计算方法的另一个局限,包括用电脑计算系数K有困难,没有好的电脑设计依据并且没有方法预测一个框架构件的实际强度。为了达到这一目的,人们越来越趋向需要实际的设计/分析方法,该设计方法能够说明体系和构件之间的兼容性。通过迅速发展的计算能力、有效性的台式电脑和有用的软件,一种替代的方法来进行直接的结构体系的设计而不使用系数K的发展变得更有吸引力,也具有现实意义。

3.缩放因子下的二阶弹结构分析

采用弹性结构分析和缩放因子的钢结构设计可分为两个阶段。在设计过程中使用缩放因子的最简单的第一阶段的发展是使用放大因子的一阶弹性分析包括通常由规范的来的二次效应[4]。这是描述在前面的章节。从逻辑上讲,下一阶段的进展是一个直接的二阶弹性分析而不使用有二阶影响的放大系数[4]。这两种方法都是基于首先形成定义为第一失败的系统的塑性铰(见图2)。

如前所述,有效长度系数通常会屈服好设计对于框架结构,但它确实有以下的弊端：

图2钢结构建筑结构设的计综合分析类型

1)、它无法准确捕捉构件之间的相互作用和结构体系的性能和强度；

2)、它不能反映出结构体系中适当的内力非弹性重分布；

3)、它无法预测的结构体系的失效模式；

4)、在缩放因子的计算过程中，不容易实现综合应用计算机设计与使用一致的图表；

甚至最近使用AISC-LRFD程序进行抗震设计时遇到困难,因为相同强度的相关公式都必须履行检查[4]。有些困难甚至更多的在抗震设计中自从额外的问题被提出以来,如：

1)、结构是如何在地震中表现的?

2)、哪一部分是最关键的地区?

3)、如果结构的一部分屈服或破坏将会发生什么事情?

4)、如果荷载比那些规范规定的要更大将会发生什么事情?

这些问题都不能用传统的和缩放因子一起的LRFD法解决。相反,接下来描述的下列先进的分析能提供这个信息。

4.各种先进的分析方法

先进的分析方法是指任何能捕捉结构体系强度和稳定性及其独立构件，以这样一种方式分开的构件不需要检查。因此,没有必要计算缩放因子。通常这些分析也简称为更正式的二阶非弹性分析框架设计(见图2)。以目前的计算能力,它是一种相当直接的过程结合,稳定性理论和塑性理论对于结构体系分析。真正的挑战是在工程实践中为此做出这种类型的设计的新思路工作和竞争与现行方法[8]。

4.1、弹塑性铰法

弹塑性铰法是最简单的非线性性能材料的近似值，它假设所有的非弹性影响都集中在了塑性铰区。在这种理想化的条件下,它假设元件只是在形成塑性铰零长度的端点处。

在这里,在弹性分析的先前的部分,根据几何用来形成平衡方程，弹塑性铰法可以分成一阶和二阶塑性分析。对一阶弹塑性铰分析,使用未变形的几何而非线性几何效被忽视了。结果,预测的极限承载力和常规的刚塑性分析是一样的。在二阶弹塑性分析中考虑了形状的改变和几何非线性形状能够在稳定型函数中使用，该函数仅能够一个构件一个构件的用在梁柱元件中来获得二阶效果。一个关于塑性设计和二阶分析方法的全面介绍可以在由陈和索菲写的书中发现[9]。

二阶弹塑性铰分析仅是一个近似方法[10,11]。对于破环模式是弹性失稳的细长的构件,这个方法提供了一个很好的近似方法；但是对于坚实的构件且梁柱单元承受轴向载荷和弯矩联合作用,该方法对实际强度和刚度法在塑性范围内由于屈服

影响传播而产生过高评价。该方法首先是一个的适用范围之内对框架设计良好的

二阶非弹性分析的近似方法。它在用于广泛的框架结构分析之前需要进一步改良[12]

。

4.2、精确的塑性铰法

精简的塑性铰方法是基于对上边描述到的弹塑性铰法一些简单的修改。名义荷载的概念第一次被引入到传统的弹塑性铰法，它是通过运用附加虚构的等效横向负载估算残余应力的影响、构件的缺陷,但不包括传统程序中的塑性分布。通过一定的修改,这种精炼的方法被欧洲建筑钢结构协会[13],加拿大标准和澳大利亚标准接受。然而,柳[10]的研究表明,该方法保守估计下的强度在不同斜柱框架下超过20%的强度并且在独立梁柱承受轴向力和弯矩的情况下过度估测下的强度要达到10%。接下来,我们将对弹塑性铰法作进一步的修改和精简,以提高其性能的同时使它在工程实践中得到应用。这些修改分成三类:几何上的、材料上的和连接上的。这些修改的细节可以在这两个博士论文[10,14,15]以及后续的文件中发现(例如,Refs

[16，17]

)。这个精简的塑性铰法就是接下来框架设计中所谓的实用先进方法。

4.2、塑性区法

塑性区法被认为是“准确的”,因为它是基于一个结构体系最精炼的有限元分析。在麦圭尔教授的领导下，康奈尔大学的研究团队在过去的二十年也已经研究和证明了这种塑性区分析方法。这个团队的成员包括Ziemian[19],怀特,Attala[11]和Deierlein[20]以及其他人。作为对照,弹塑性铰模型被认为是最简单的；而弹塑性区模型则最精确。

在塑性区法中,每个构件沿着长度方向被离散成许多部分,每一个部分被分成许多有限元素。每个有限元的材料性能是指定具体的性能和残余应力。构件的性能通过这些有限单元数值积分所获得的。通过修改更新几何来获得二阶几何效果。精确的解通过梁柱基准测试部分验证。该方法适合工程实践中各种各样的简化方法。

5.实用先进的方法

先进的实用方法已经成熟，在普渡大学由柳领头在过去15年前就开始了,且有据可查的校准帧,并在2005年负荷及阻力系数钢结构建筑设计规范中采用先进的分析方法。详细的发展过程在陈和金[22]1997年的“LRFD钢铁设计采用先进的分析”一书中有综合描述。由此，根据我们工程实践中学到的经验,实用先进的分析方法必须降低到一个序列的等效线性弹性分析。容许应力设计和在早年为了获得接受应用到工程实践中的弹塑性铰设计是如此的普遍。

接下来,我将简要总结它的发展，根据理想化单一化的几何形状、材料和连接达到这个目标,同时满足当前的LRFD要求。在这个发展过程中,它最初开始使用熟

悉但简化稳定的功能来捕捉二阶效应,继续展示由于残余应力如何传播的可塑性。这可以解释为减少材料的弹性模量的影响,最后指出的几何缺陷,可以进行进一步的减化弹性模量结构体系的设计过程和弹性分析。

5.1、二阶效应

为了捕捉二次效应，陈和吕[23]指出要采取简化稳定作用。

5.2、截面塑性强度

这个LRFD截面塑性强度曲线被采用，因为强轴和弱轴都受弯在LRFD规范中，减少的相同的因数取为0.85对强轴而弯曲强度取为90%。

5.3，残余应力

CRC正切弹性模数是由于残余应力在轴向荷载下沿构件长度方向逐渐屈服的原因。在这种方法中,弹性模量E代替惯性矩I被减少是弹性的部分减少的原因。因为弹性模量的减少不同部分的惯性矩更容易实现。对强轴和弱轴刚度的降低比和CRC正切弹性模数求得的相同(见图5)。

图5 在构件有残余应力和几何缺陷下的CRC和正切弹性模数的递减关系

5.4、几何缺陷

由于几何缺陷的构件刚度减小可能是进一步降低构件刚度模拟的。这可以通

过进一步减少切线刚度系数实现。这进一步减少模数对支撑和未加支撑的构件和框剪都适用（见图5)。

5.5、半刚性连接

在钢结构建筑半刚性连接的实际性能位于铰接和刚接之间。这两个极端的理想化的连接已经被广泛地应用于过去传统的结构分析和设计中。近年来,注意力集

中向一个更精确的连接模拟(见图6)。为此,在1994年AISC-LRFD规范中指定了两种类型的建筑：FR型(完全约束)和PR型(部分约束)。FR型是传统类型的刚性连接；而PR型在传统的钢结构分析和设计的术语中被称为半刚性连接。如果使用PR 型，柔性连接的影响必须在分析和设计程序中考虑。

图6、旋转变形的半刚性连接

目前,最常用的描述弯矩-转角曲线的半刚性连接的方法是基于大量数据算得的实验数据获得的拟合曲线(24 - 26节)。几个曲线拟合半刚性连接模式已经被提出，但是其中最著名的是均匀模型，最初是由理查德提出[27]，由陈和岸新界修改，有吴[30]精简而成。在结构分析中部分约束连接的影响不仅在于改变目前梁、柱弯矩的分布，也增加框架位移和P-delta效应。在近年来广泛的关于连接模型，实施的实际过程和方向和适当的PR建设的模型参数的工作已经在进行[31]。这些进展的细节,可以在陈的书[34],陈、Goto和刘[32]的综合书等等中发现。

1998年9月23日在亚特兰大的乔治亚州举行了一个有结构稳定性研究委员会组织的为期1天的公开研讨会[35]讨论部分约束。后续研讨会论文集覆盖了关于实际分析部分限制框架设计各方面的进展。这包括代码设计、数据库设计、造型、分类、分析/设计和设计表及附加内容。一个题为SSRC的“部分限制框架设计实际分析”的小册子提供了一个有设计实例的全面的设计指导，它是由成和金正编写的。

6.关于抗震设计的先进分析

基于在1994年的北岭地震的结构反应,1997年的LRFD规范有显著的变化，特别是框架构件的抗震设计[37]。这些变化试图在概念上“结构性融合”和“性能化

设计”(见图8)。结构融合概念是用来控制预计地点的破坏或过度变形的。这种类型的设计将以最小成本和快速恢复业务[38]帮助修复的主要结构。这个性能设计是为了不同级别的性能的构件。为了达到所要求的性能并安全、经济，这样的评价过程中先进的分析方法是有必要的。

译文原文出处：陈威发.中国学术前沿期刊网2008年第二期第三卷：189-196页