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基于结构极限承载力的轻型钢框架结构的计算理论及应用研究

刘坚

  钢结构具有轻质高强、抗震性能好、工业化程度高、施工速度快、符合环保要求、符合可持续发展概念和科技含量较高等优点,随着我国实行积极采用钢结构的政策以及我国钢总产量进一步提高,建筑钢结构得到迅速的发展,特别是在住宅、办公和旅馆等钢结构建筑中得到越来越广泛的运用。在建筑钢结构中,钢框架结构是一种多高层建筑常用的结构形式,但钢框架结构容易失稳,另一方面,钢结构设计方法存在着结构弹性内力分析与构件弹塑性极限状态设计、把强度与稳定分开来进行设计等不合理现象,因此,对解决以上问题进行研究具有理论和现实意义。随着多高层轻型钢框架的广泛应用,它的设计理论与方法是目前学术界和工程界普遍关注的热点问题。虽然人们已对多高层钢结构的空间静、动力特性进行了大量研究,但由于涉及因素很多,十分复杂,至今许多问题尚未圆满解决,特别是多高层轻型钢框架二阶非弹性分析的计算理论和方法。在计算机迅速发展的时代,使得人们在进行试验研究的同时,有可能通过理论分析进一步认识和发展多高层轻型钢框架二阶非弹性的计算理论,建立基于结构极限承载力的设计理论和方法,研究有效和实用的方法,以达到为轻型钢结构工程设计服务的目的。在分析国内、外有关研究成果基础上,本文主要研究和探讨了基于结构极限承载力的轻型钢框结构架计算理论和应用,重点研究和建立了轻型钢框架结构二阶非弹性分析方法和基于结构极限承载力的计算理论和设计方法。采用计算机高级编程语言,实现了可完成以上理论分析的数值分析计算程序,为轻型钢框架的二阶非弹性分析及基于结构极限承载力的设计方法提供了方便实用的应用工具和手段。通过算例和ANSYS软件论证了本文方法的实用性、有效性和可靠性,并且对基于遗传算法的多高层轻型钢框架优化设计方法也进行了研究。论文主要工作和主要结论如下:(1)根据连续介质力学理论,建立了考虑剪切变形效应的基于稳定插值函数的多高层轻型空间钢框架几何非线性分析的有限元模型;利用修正的拉格朗日列式,从增量虚功平衡方程出发,推导了钢框架结构梁柱单元空间二阶弹性分析的刚度矩阵;研究了基于稳定插值函数考虑剪切变形效应的钢框架空间几何非线性分析的梁柱理论模型。在‘拉弯模型’基础上,首次提出了扭转翘曲稳定函数的概念和计算公式,并推导了基于扭转翘曲稳定插值函数的开口轻型薄壁梁柱单元的扭转翘曲刚度矩阵;同时提出了侧扭几何刚度矩阵;(2)基于平面精细化塑性铰模型,考虑梁柱构件的剪切变形、侧扭变形、翘曲变形、效应、残余应力、几何初始缺陷和材料渐进屈服等影响后,把平面钢框架精细化塑性铰法推广应用到轻型框架空间二阶非弹性分析中;把有限元法与梁柱理论法结合起来,提出了一种新的轻型钢框架空间二阶精细化塑性铰分析法;建立轻型钢框架结构极限承载力的设计方法;研制了基于精细化塑性铰概念的轻型钢框架空间二阶非弹性分析软件,成功地实现了轻型钢框架结构空间二阶非弹性分析及基于结构极限承载力的设计方法。通过ANSYS软件实现了轻型钢框架空间二阶塑性区分析,同时还与一些试验结果及算例进行了对比,利用这些方法验证了本文提出的理论和方法的正确性及精度。(3)针对目前各种连接模型都存在一定缺陷,提出基于神经网络BP算法的半刚性连接节点计算模型。推导了半刚性连接轻型钢框架结构空间二阶非弹性分析新的切线刚度矩阵,建立半刚性连接轻型钢框架结构空间二阶非弹性分析和结构极限承载力设计新的计算方法。在考虑节点半刚性连接、效应和剪切变形之后,提出了柔性连接多高层轻型钢框架结构自振周期的简化计算公式,这使采用底部剪力法在计算柔性连接多高层轻型钢框架地震作用时,更加符合半刚性连接多高层轻型钢框架的实际受力和变形特点。(4)结合本文轻型钢框架的二阶非弹性分析的计算理论和方法及结构极限承载力的设计方法,将遗传算法引入轻型钢框架结构的优化设计中,这为合理地进行轻型钢框架结构工程设计提供了有利的工程指导。……