對(duì)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)中考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度及穩(wěn)定問題的討論.pdf

1、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度問題和考慮二階效應(yīng)的穩(wěn)定問題是有軸力與彎矩、剪力同時(shí)作用的桿件以及整體結(jié)構(gòu)性能控制中的關(guān)鍵問題。由于二階效應(yīng)及穩(wěn)定問題的復(fù)雜性，至今仍有若干關(guān)鍵問題有待解決。正確理解幾何非線性、屈曲、計(jì)算長度等與二階效應(yīng)及穩(wěn)定問題相關(guān)的概念并了解其正確工程應(yīng)用方法對(duì)工程設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。
　　近年來，隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及房地產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多形式復(fù)雜、造型多樣的建筑結(jié)構(gòu)。與上世紀(jì)后期相比，不僅

2、結(jié)構(gòu)高度進(jìn)一步增大，且常出于使用功能需要而在結(jié)構(gòu)中采用了混凝土及鋼筋強(qiáng)度高、負(fù)擔(dān)荷載更重，且長細(xì)度也頗大的越層巨柱、越層周邊框架柱或其他在水平荷載下主要承受較高壓力的撐桿式構(gòu)件（如上海中心的多次越層巨柱、廣州東塔的巨型結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)巨柱、廣州西塔的菱形格構(gòu)式外框筒的斜壓構(gòu)件以及其他高層建筑中常遇的越層框架柱等）。針對(duì)這些構(gòu)件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人有理由關(guān)心其是否存在穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，并希望得到對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算的有效方法。但我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《高層建

3、筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》與其他國家同類規(guī)范類似，都是因以往混凝土結(jié)構(gòu)工程中難以出現(xiàn)穩(wěn)定問題而未給出相應(yīng)規(guī)定，從而存在有待彌補(bǔ)的缺口。另一方面，從最近幾年國內(nèi)學(xué)術(shù)刊物對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)二階效應(yīng)及穩(wěn)定問題進(jìn)行討論的文章中，特別是對(duì)上述有穩(wěn)定驗(yàn)算需求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行討論的文章中也清楚看到，雖有文章對(duì)這些問題涉及的概念作了有效的進(jìn)一步澄清，但也確有不少文章在論述中暴露出了對(duì)二階效應(yīng)相關(guān)概念、結(jié)構(gòu)二階效應(yīng)規(guī)律及分析方法、計(jì)算長度規(guī)定的歷史背景以

4、及各類穩(wěn)定臨界狀態(tài)識(shí)別方法有效性的不一定確切的解釋和使用，這對(duì)本來就無法從相關(guān)著作和文獻(xiàn)中找到對(duì)這些問題的系統(tǒng)、中肯解釋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界來說，只能是增加更多的困惑；而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人在找不到其他有效方法時(shí)照抄某些文獻(xiàn)建議的可能存在問題的做法，又必然會(huì)在所完成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中留下安全隱患。
　　因本論文作者所在學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)自上世紀(jì)70年代后期起一直是參與或參與主持修訂中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》二階效應(yīng)條文規(guī)定的責(zé)任單位，針對(duì)上述存在問題有必要作出澄清

5、概念的努力，并針對(duì)各種端約束條件下有軸力與彎矩、剪力共同工作的鋼筋混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定驗(yàn)算的規(guī)范規(guī)定缺口作出研究努力。
　　為此，本論文在團(tuán)隊(duì)建議下擬按以下內(nèi)容完成研究任務(wù)：
　?、俸喴f明到目前為止已經(jīng)經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析得到較準(zhǔn)確識(shí)別的兩類二階效應(yīng)規(guī)律，即P-△效應(yīng)規(guī)律和P-δ效應(yīng)規(guī)律；對(duì)工程界存在爭議的“二階效應(yīng)是否會(huì)增大框架梁、柱水平荷載剪力”問題進(jìn)行推導(dǎo)說明，給出相應(yīng)結(jié)論；對(duì)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

6、》中用于計(jì)算剪切型結(jié)構(gòu)P-△效應(yīng)的層增大系數(shù)法和用于計(jì)算彎曲、彎剪型結(jié)構(gòu)P-△效應(yīng)的整體增大系數(shù)法，幾何非線性相關(guān)理論和SATWE、ETABS、SAP2000等結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件中用于計(jì)算二階效應(yīng)的基于幾何剛度的有限元法（虛柱法）進(jìn)行介紹。希望這些工作能有助于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人更直觀、準(zhǔn)確地理解各類結(jié)構(gòu)中的二階效應(yīng)變形規(guī)律以及內(nèi)力放大效應(yīng)規(guī)律。
　?、诤喴f明到目前為止中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》各個(gè)版本中所使用過的解決考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度及變

7、形問題的各種思路和方法。
　?、酆喴懻摻Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的有關(guān)問題。對(duì)歐拉單柱和整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力及屈曲模態(tài)計(jì)算方法進(jìn)行介紹；討論強(qiáng)度、失穩(wěn)和二階效應(yīng)三者的區(qū)別與聯(lián)系；給出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)思路。由此得到關(guān)于穩(wěn)定問題的兩點(diǎn)重要體會(huì)：1、從宏觀上講，直至目前解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的思路主要有兩種，一是基于彈性分枝失穩(wěn)概念的計(jì)算長度法，該法將整體結(jié)構(gòu)的非彈性失穩(wěn)問題轉(zhuǎn)化為組成結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件的穩(wěn)定驗(yàn)算問題，雖然在穩(wěn)定問題從結(jié)構(gòu)向構(gòu)件轉(zhuǎn)化的過

8、程中概念理解上會(huì)有些復(fù)雜，但是這種轉(zhuǎn)化使穩(wěn)定設(shè)計(jì)的過程更為簡化，也更加符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人基于構(gòu)件層面的設(shè)計(jì)習(xí)慣，因此直至今日，這種基于計(jì)算長度的穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法也仍被結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界大量使用；二是基于彈性漸近線失穩(wěn)或非彈性極值點(diǎn)失穩(wěn)概念的高等分析法，該法直接在分析過程中全面考慮了結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的初始缺陷、幾何非線性和材料非彈性等影響結(jié)構(gòu)和構(gòu)件穩(wěn)定性的各類因素，將考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度失效過程和考慮二階效應(yīng)的穩(wěn)定失效過程作為結(jié)構(gòu)在荷載作用下整個(gè)二階非彈性變形過

9、程中的兩個(gè)特定階段，用基于結(jié)構(gòu)層面的可靠度設(shè)計(jì)方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定設(shè)計(jì)；2、在實(shí)際工程中普遍存在的彈性漸近線失穩(wěn)和非彈性極值點(diǎn)失穩(wěn)模式下，可認(rèn)為二階效應(yīng)發(fā)展的極限狀態(tài)就是失穩(wěn)，從這個(gè)角度講，考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度問題與考慮二階效應(yīng)的失穩(wěn)問題在二階效應(yīng)規(guī)律的體現(xiàn)上具有同源性。
　　④對(duì)計(jì)算長度進(jìn)行討論，說明以往使用的二階效應(yīng)范疇的計(jì)算長度與穩(wěn)定范疇的計(jì)算長度之間存在的某些具體差異以及它們所表達(dá)的總體趨勢(shì)上的一致性基礎(chǔ)；

10、重點(diǎn)介紹到目前為止已有文獻(xiàn)中從壓桿分枝失穩(wěn)角度討論計(jì)算長度的確定方法中給出的各類建議，分析這些建議可能存在的某些不足，并給出本論文作者建議的一種與已經(jīng)給出的各類方法相比更加符合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力性能的壓桿失穩(wěn)計(jì)算長度的確定方法，并說明其應(yīng)用條件。
　?、莺喴榻B目前在國際鋼結(jié)構(gòu)界已經(jīng)有人提出的能夠較好考慮結(jié)構(gòu)體系各類構(gòu)件初始缺陷、二階效應(yīng)（幾何非線性）以及材料非彈性特征的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗(yàn)算方法——高等分析法。
　　本論文希望

11、在梳理、總結(jié)、澄清二階效應(yīng)規(guī)律和考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定問題相關(guān)概念性問題的基礎(chǔ)上，在使用現(xiàn)有保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能規(guī)定方法的前提下，通過分析提出一種用于確定結(jié)構(gòu)中單根存在失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的壓桿計(jì)算長度的實(shí)用方法。這一方法只能視為解決任意約束條件下單桿非線性極值點(diǎn)穩(wěn)定問題的整個(gè)方法體系中的第一個(gè)關(guān)鍵步驟。在計(jì)算長度得到合理確定后，仍有必要通過對(duì)端約束條件及端彎矩比例不同的各類壓桿的非線性有限元分析，并考慮可靠度要求，歸納整理出一種能夠便于工程應(yīng)用