基于結構極限承載力的輕型鋼框架結構的計算理論及應用研究.pdf

1、鋼結構具有輕質高強、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，隨著我國實行積極采用鋼結構的政策以及我國鋼總產量進一步提高，建筑鋼結構得到迅速的發(fā)展，特別是在住宅、辦公和旅館等鋼結構建筑中得到越來越廣泛的運用。在建筑鋼結構中，鋼框架結構是一種多高層建筑常用的結構形式，但鋼框架結構容易失穩(wěn)，另一方面，鋼結構設計方法存在著結構彈性內力分析與構件彈塑性極限狀態(tài)設計、把強度與穩(wěn)定分開來進行設計等不

2、合理現(xiàn)象，因此，對解決以上問題進行研究具有理論和現(xiàn)實意義。 隨著多高層輕型鋼框架的廣泛應用，它的設計理論與方法是目前學術界和工程界普遍關注的熱點問題。雖然人們已對多高層鋼結構的空間靜、動力特性進行了大量研究，但由于涉及因素很多，十分復雜，至今許多問題尚未圓滿解決，特別是多高層輕型鋼框架二階非彈性分析的計算理論和方法。在計算機迅速發(fā)展的時代，使得人們在進行試驗研究的同時，有可能通過理論分析進一步認識和發(fā)展多高層輕型鋼框架二階非彈性

3、的計算理論，建立基于結構極限承載力的設計理論和方法，研究有效和實用的方法，以達到為輕型鋼結構工程設計服務的目的。在分析國內、外有關研究成果基礎上，本文主要研究和探討了基于結構極限承載力的輕型鋼框結構架計算理論和應用，重點研究和建立了輕型鋼框架結構二階非彈性分析方法和基于結構極限承載力的計算理論和設計方法。采用計算機高級編程語言，實現(xiàn)了可完成以上理論分析的數(shù)值分析計算程序，為輕型鋼框架的二階非彈性分析及基于結構極限承載力的設計方法提供了方

4、便實用的應用工具和手段。通過算例和ANSYS軟件論證了本文方法的實用性、有效性和可靠性，并且對基于遺傳算法的多高層輕型鋼框架優(yōu)化設計方法也進行了研究。論文主要工作和主要結論如下： (1)根據連續(xù)介質力學理論，建立了考慮剪切變形效應的基于穩(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)，推導了鋼框架結構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’基礎上，首次提出了扭轉翹曲穩(wěn)定函數(shù)的概念和計算公式，并推導了基于扭轉翹曲穩(wěn)定插值函數(shù)的開口輕型薄壁梁柱單元的扭轉翹曲剛度矩陣；同時提出了側扭幾何剛度矩陣； (2)基于平面精細化塑性鉸模型，考慮梁柱構件的剪切變形、側扭變形、翹曲變形、p-delta效應、殘余應力、幾何初始缺陷和材料漸進屈服等影響后，把平面鋼框架精細化塑性鉸法推廣應用到輕型框架空間二階非彈性分析中；把有限元

6、法與梁柱理論法結合起來，提出了一種新的輕型鋼框架空間二階精細化塑性鉸分析法；建立輕型鋼框架結構極限承載力的設計方法；研制了基于精細化塑性鉸概念的輕型鋼框架空間二階非彈性分析軟件，成功地實現(xiàn)了輕型鋼框架結構空間二階非彈性分析及基于結構極限承載力的設計方法。通過ANSYS軟件實現(xiàn)了輕型鋼框架空間二階塑性區(qū)分析，同時還與一些試驗結果及算例進行了對比，利用這些方法驗證了本文提出的理論和方法的正確性及精度。 (3)針對目前各種連接模型都存

7、在一定缺陷，提出基于神經網絡BP算法的半剛性連接節(jié)點M-θr計算模型。推導了半剛性連接輕型鋼框架結構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構空間二階非彈性分析和結構極限承載力設計新的計算方法。在考慮節(jié)點半剛性連接、p-delta效應和剪切變形之后，提出了柔性連接多高層輕型鋼框架結構自振周期的簡化計算公式，這使采用底部剪力法在計算柔性連接多高層輕型鋼框架地震作用時，更加符合半剛性連接多高層輕型鋼框架的實際受力和變形