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

1、鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)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(jié)構(gòu)的政策以及我國鋼總產(chǎn)量進一步提高，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)建筑中得到越來越廣泛的運用。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、把強度與穩(wěn)定分開來進行設(shè)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(yīng)用，它的設(shè)計理論與方法是目前學(xué)術(shù)界和工程界普遍關(guān)注的熱點問題。雖然人們已對多高層鋼結(jié)構(gòu)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(fù)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(rèn)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(jié)構(gòu)極限承載力的設(shè)計理論和方法，研究有效和實用的方法，以達(dá)到為輕型鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計服務(wù)的目的。在分析國內(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)架計算理論和應(yīng)用，重點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)極限承載力的計算理論和設(shè)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(jié)構(gòu)極限承載力的設(shè)計方法提供了方

4、便實用的應(yīng)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(shè)計方法也進行了研究。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)的開口輕型薄壁梁柱單元的扭轉(zhuǎn)翹曲剛度矩陣；同時提出了側(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，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(jié)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法的半剛性連接節(jié)點M-θr計算模型。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)計新的計算方法。在考慮節(jié)點半剛性連接、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