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1、目 录摘 要3第一章正文4简介4有侧移框架5弹塑性铰分析方法的精确度6改进塑性铰分析方法7轴心受力柱8独立梁柱结构11具体例子的分析12刚性框架13极限承载能力14荷载分布与估计的破坏模型16荷载作用点轨迹18Vogel的六层框架18荷载位移曲线18力分布与塑性铰形成19设计推论20设计建议22第二章参考文献26附 录28计算书28一. 荷载28二. pkpm内力计算结果28三.屋面檩条计算132四. 墙梁计算136五.抗风柱计算142六.吊车梁计算148七屋面横向支撑计算158八柱间支撑计算158九. 节点设计160图 纸161致 谢172摘 要本文讨论的是与二维钢框架结构设计改进分析方法相
2、关的若干使用问题。我们对弹塑性铰分析方法的精确度专门进行了检查，并且确定了它的应用范围。我们还推荐一种叫做改进塑性铰分析的方法，并对它的设计原理做了分析。我们做了一些个案分析，目的是为了阐述改进塑性铰方法在预测独立构件强度和局部稳定以及整体结构强度方面的精确性。同时，把它的结果与弹塑性分析结果和塑性区分析结果的作出对比，从而评价了这个分析模型的性能。本文的目的是阐述塑性铰分析方法在应用于预测钢构件和框架的极限强度和工作性能时的效果和局限。关键词：钢结构 塑性铰 弹塑性分析重型工业厂房框架结构二阶改进塑性铰分析第一章正文简介在一位学者的论文中（Liew et al. 1993）已经论述了对传统的
3、弹塑性铰模型的改进，它描述了梁柱的非弹性性能并保证了对钢框架高级分析有足够的精确度。合成模型已经对改进塑性铰方法做了定义。这篇论文详细地评估了用来模拟梁柱和框架平面内强度性能的弹塑性铰和改进的塑性铰分析方法。当前的基本问题是基于Kanchanalai (1977) 和Zhou et al. (1990) 所阐述的有侧移框架和独立梁柱结构的塑性区分析方法的Kanchanalai的著作中有侧移框架的例子描述了框架结构中一系列非常典型的梁柱特征。Zhou的著作中独立梁柱结构的研究也提出了另外的基本点，但构件的二阶影响会比较大。任何分析方法如果与这些基准点相符合就可以被认为是满足二维改进非弹性分析的。
4、也就是说，分析模型可以以足够的精确度来表达梁柱的强度从而单独的具体构件的承载力验算就不需要了。一个全面的研究是由两个刚性框架和一个六层非刚性框架组成的。对这些框架的评价是基于荷载承载力设计的弹性分析方法塑性铰分析方法的。我们把这些分析方法得出的结果和框架完全塑性区分析方法的结果做了比较。这些研究的主要目的是确定可以用于设计的塑性铰分析方法的可靠度和精确度。第二个目的是比较非弹性分析方法和LRFD弹性分析方法得出的有侧移和无侧移框架在强度极限状态下的性能。这些比较为非弹性分析方法在平面框架极限状态设计中的应用提供了支持和依据。用于直接计算构件和系统强度的塑性铰分析方法的适用范围已经得到确定。并且
5、还论述了这些方法在钢框架结构高级分析中的应用，提出了设计的建议。接着总结了本文的重点。本文所引用的例子是Liew（1992）研究的构件和框架问题的一部分。Liew的著作中的全部问题包括带有刚性和半刚性连接的有侧移和无侧移框架，带有嵌板区变形的框架，斜柱框架，独立梁柱，强弱轴柱的工作性能。有侧移框架图13把二阶弹塑性铰和改进塑性铰分析方法得出的非平面强度曲线和Kanchanalai（1977）的塑性区结果做了比较。因为Kanchanalai的塑性区分析方法是作为基准而应用于美国钢结构协会的LRFD梁柱方程（Yura 1988；Liew et al.1991）的发展中的，所以任何可以满足这些基准的
6、分析方法都可以被认为是满足二维高级非弹性分析方法的要求的，从而不必验算单独的具体构件的承载能力。图中同时给出了强轴和弱轴的用于塑性区分析方法的强度曲线。然而，对于塑性铰分析方法只给出了强轴的强度曲线。因为其结果是用无量纲的形式表示的，而且用于强轴和弱轴截面强度分析的是同一种塑性强度曲线（例如用于零长度构件的LRFD梁柱影响方程），所以建立在铰分析基础上的弱轴曲线和强轴强度曲线是非常相似的。此塑性区分析方法对于无初始几何缺陷的框架是通用的，但是已经考虑了初始应力的影响。比较各种方法，改进塑性铰分析方法用的是只考虑初始应力影响的切线模量。同样的，在接下来的全部复核研究中，改进塑性铰分析方法是利用了
7、抛物线型刚度退化作用。另外，图13中给出了一条表示梁柱构件初始弯曲作用的曲线。这条曲线是由二阶分析得出的，图1. 且的门式框架强度曲线的对比其中考虑了强轴的弯曲和残余应力的影响（端部边缘取得最大压应力值0.3）。弹塑性铰分析方法的精确度弹塑性分析方法经常把框架的最大承载能力估计的过高。在图1和2描述的门式钢架中，塑性铰模型的强轴强度出现了误差，大约平均误差有9，最高的有20。对于图3中的斜柱框架，强轴强度也估计的过高，最大误差达20。在图13中的框架结构中，其弱轴强度也被弹塑性模型过高地估测。在这些例子中，建立在弹塑性铰分析基础上的对弱轴强度估计的最大误差高达10到30。弹塑性铰模型是有可能过
8、低估计弱轴强度的。这体现在图1的框架例子中。这是因为现在用于弹塑性铰分析的截面强度曲线对于典型的相对于弱轴的大边缘截面的弯曲是偏保守的，特别是当弯曲和轴力影响起主要作用时。Liew（1992）的研究说明对于那些矮胖型和非常柔的框架来说，在各种轴力弯矩比下，其弹塑性铰分析方法的结果和强轴塑性区分析法的结果是相差无几的。这意味着在估计弹性弯曲或塑性机制下的破坏荷载时，二阶弹塑性铰分析是有足够的精确度的。然而，对于图13中的框架来说，在塑性铰分析中，在一系列弯矩轴力比下强轴和弱轴强度都被估计的过高。因此我们有必要改进传统的弹塑性铰模型从而使得它能够适用于一系列结构的分析。改进塑性铰分析方法对于图13
9、中的强弱轴例子，在一系列的弯矩轴力比下，与塑性区结果相比较，其保守系数不会超过4。改进塑性分析法用于图3的框架结构时精确度特别高，相比之下如果在这样的结构中用弹塑性铰分析法就会经常出错。在这个例子中，如果用弹塑性铰模型分析弱轴强度，其最大误差将达到30，而如果用改进塑性铰模型，其误差不超过1。当作用在框架上的轴力非常大时，把切线模量单独应用于弹塑性铰分析能够对强度极限作出很好的估计。然而，在中等量的轴力作用下，此模型对强度的估计就有些偏高了。在这样一系列的轴力作用下，构件中附加的分散的塑性影响将伴随着弯曲作用。因此，把切线模量单独应用于弹塑性铰分析中对于表达构件的刚度退化是不够的，特别是当构件
10、中的弯距并不是很小时。这在图2中得到证明，当轴力小于0.5Py时，弹塑性铰模型对强弱轴强度都作出了过高的估计。对于这些例子，切线模量和二阶改进弹塑性铰分析的应用并不会改进强度估计，因为当P0.5Py时切线模量的公式是无效的。对于一般的荷载情况，对能够考虑分散塑性作用的改进塑性铰分析方法的应用，极大地改进了非弹性强度估计。图2. 且的门式框架强度曲线的对比轴心受力柱有人会说与切线模量理论应用于纯轴心受力实例的刚度相比，构件的非弹性弯曲刚度会被改进塑性铰模型所低估。这是因为元件的非弹性弯曲刚度在柱子的切线模量和双重表面刚度削减模型（Liew et al. 1993）中得到减小。然而，这些方面看起来
11、对轴心受力柱子的强度估计影响很小。 图3. 且的斜柱框架强度曲线的对比图4给出了改进塑性铰分析得出得结果，每个柱子用两个元素。我们假设一个尺寸为831的柱截面绕强轴弯曲，并且还对柱的初始变形（最大的挠曲发生在柱子长度的中部，大小为L/1500）做了明确的模拟。这个变形量和LRFD柱强度曲线中假设的值是相同的。我们把改进塑性铰分析得出的非弹性柱的强度曲线和AISC LRFD柱强度曲线做了对比。对比结果显示把改经塑性铰分析得出的柱强度曲线用于长细比为的柱子时，其保守系数不超过5。这就可以得出结论，改进塑性铰模型所应用的双重刚度降低方案对于纯轴心受力柱的强度估计的影响是微乎其微的。图4. 轴向受力端
12、部铰接柱强度曲线的对比图4也把AISC LRFD柱强度曲线和使用了CRC、LRFD切线模量的非弹性屈曲分析得出的曲线，改进塑性铰分析得出的曲线做了对比。在同样的图中，通过量测当单位切线刚度矩阵的行列式为零时的荷载水平而得到改进塑性铰分析的柱的承载能力。以这种方法得到的柱强度在本质上和利用了柱切线模量的非弹性屈曲方法估计的值是相同的。我们可以看到，两个切线模量非弹性屈曲分析方法都过高估计了含于AISC LRFD柱方程（Load 1986）的柱承载能力。与CRCEt非弹性屈曲分析相关的最大误差为14。这个最大误差是与一定的长细比的柱子相联系的，在这个长细比下，残余应力和构件的初始弯曲相互作用使得柱
13、的承载力与完美柱子的承载力理想值相比有了巨大的降低。然而，对于那些长细比值小于等于0.4的柱子来说CRCEt非弹性屈曲分析的最大误差与AISC LRFD柱强度曲线相比其保险系数不大于5。这些结构显示，对于的柱子来说，解决方案对几何缺陷的敏感度不是很大。如果非弹性屈曲分析用的是LRFD切线模量（LRFDEt），且不高于1.0时，得出的强度结果曲线和LRFD柱强度曲线将非常符合，而且误差的保守系数也不会高于5%。然而当从1.0增大到1.5时，强度估计的误差也从5%增大到14%。当非弹性分析用于框架设计时，AISC LRFD给出了一些轴心力的限制：对于有侧移柱，要求且；对于无侧移柱，要求。同样在LR
14、FD的规定中，对于钢框架结构的分析也不要求对几何缺陷作精确的模拟。采纳同样的设计原则，看起来非弹性的分析对于的柱子是有足够的精确度的，因为对于这些结构，没有必要进行构件初始缺陷的精确模拟。改进塑性铰分析对的柱子的一元分析的保险度不超过5%。对于值介于0.4与1.0之间的的柱子，LRFDEt必须用于非弹性分析从而使得构件缺陷影响可以被认为是没有疑问的。然而，对于的柱子，为了合适地评估柱的强度，需要对构件的初始缺陷作出精确的模拟。这样的情形下，CRCEt模型显得更为合适。我们有必要强调传统的弹塑性铰分析方法对柱强度高估，其最大误差将达到22.5。然而当把一元分析的改进塑性铰方法应用于的柱子中，其误
15、差将降到低于5。独立梁柱结构Zhou et al.（1990）研究的独立梁柱结构已经成为我们现在的研究对象，其目的是评估弹塑性铰和改进塑性铰分析方法在解决受端部等效弯距的作用下的梁柱结构问题时的性能。这种梁柱结构带有残余应力，其最大压应力值为，还带有初始几何缺陷，并成正弦曲线变化，其平面内挠度在长度中部达到最大值。图5给出了塑性区强度曲线，并把它与弹塑性铰和改进弹塑性铰方法作了比较。图5中基于塑性铰的结果都是由于使用了构件的二元素分析才得出的，而且两个分析都精确地模拟了构件的初始变形（在中部达到最大值）。改进塑性铰模型是基于CRC柱切线模量的使用的，因为构件的初始变形在分析中已经得到了精确的模拟。从图5我们可以看出，对于小于且小于的梁柱，弹塑性铰分析在估计这些梁柱的极限强度的时候是具有足够的精确度的。不同的是，弹塑性铰总是以高于5的误差过高地估计了梁柱的承载能力。改进塑性铰方法在估计图5中梁柱的极限强度时是非常成功的，最大误差低于7。另外对受非等效端部弯距作用下的梁柱相反曲率弯曲的研究在Liew（1992）中也提到了。这些研究的结论将在后面得到总结。具体例
