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多高层钢结构的分类及其稳定性设计


1.在建筑物的设计中,设计人员首先必须给建筑物进行分类,各种规范还根据建筑物的类型、层数、荷载类型等,有针对性地提出对设计很有价值、有时可以简化设计的分类规定,比如规定了抗震设计时何时采用反应谱基底剪力法、反应谱振型分解法和时程分析法等等。各种分类的目的是为了建立概念框架,从而进行合理而方便的设计。本文介绍与钢结构稳定性计算有关的分类,并澄清一些概念。

有侧移框架和无侧移框架的概念―88)1第5.2.2条最末尾有这样一个注:无侧移框架系指框架中设有支撑架、剪力墙、电梯井等支撑结构,且其抗侧移刚度等于和大于框架本身抗侧移刚度的5倍者;有侧移结构系指框架中未设上述支撑者,或支撑结构的抗侧移刚度小于框架本身抗侧移刚度的5倍者。

虽然建筑物侧移的大小直接与结构抗侧刚度有关,但上述概念涉及到“有”和“无”的问题,在一定程度上引起了工程界和学术界的误解。

正确的答案应该如何引入,如果意识到所有的结构在风荷载等水平力作用下均有侧移,对无侧移框架的定义就必须采用相对的、比较的手段。Eurocode3规定,在双重抗侧力结构中,如果框架承受的总水平力小于等于总剪力的20%,则可以以足够的精确度假设所有的水平力都由支撑架(或剪力墙)承受,框架本身不承受水平力,从而这个框架可以作为无侧移框架;不满足上述规定的框架-支撑结构体系中的框架是有侧移框架。根据这个规定,可以知道:无侧移框架是一个相对概念,是在与支撑架、剪力墙的抗侧刚度比较中获得的,由此只有在双重抗侧力体系中的框架才会有无侧移和有侧移的区分。

架可以按照不承受水平力进行设计。

表示了两个结构,(a)主框架如果刚度比小框架大得多,则小框架可以按照无侧移框架进行设计,所有的水平力由大框架承受,包括作用在小框架上的水平力。(b)框架在支撑架刚度很大时可以按照无侧移进行设计,所有水平力由支撑架承受。

纯框架如果无主框架和副框架之分,则纯框架是有侧移框架。

上述分类的方法不涉及到框架的稳定性计算,而只是对框架进行一个分类,了解建筑物各子结构在承受水平力上的相对比例,在框架分担的水平力小到一定程度时可以进行简化的力学分析。

在计算机设计的时代,有侧移和无侧移框架的区分没有带来计算上的好处,但对于初步设计以及对所设计的框架进行定性定类的了解,还是很有意义的。

侧向柔性结构和侧向刚性结构侧向柔性结构和侧向刚性结构这两个概念在我国还没有引进,而在新的正在修订中的钢结构设计规范〉和已经颁布的高层民用建筑钢结构技术规程―98)中已经采用与这两个概念有关的一些规定。侧向刚性结构和侧向柔性结构的定义如下为0则这个结构为侧向刚性结构,V,H,各h,分别为某一层的竖向荷载总和、层剪力、在层剪力作用下的层间侧移和层高;不满足上述条件的结构为侧向柔性结构。上式左边项的物理意义需要解释。层间抗侧刚度一般为:今设计人员可能会认为结构侧向的“刚”和“柔”应根据S,(或根据水平力作用下的侧移纟大小)来区分,但这仅仅是结构侧向刚性与否的一个方面。从稳定性角度研究,重力荷载是使结构发生失稳的因素,失稳意味着结构失去进一步抵抗荷载的能力,也即结构达到了刚度为零的状态。是什么使结构刚度从初始刚度S,变化到零,这个罪魁祸首就是重力荷载。因此重力是一个负刚度,其值为。

根据上述定义,一根不承受竖向力的细长的悬臂柱属于侧向刚性结构。对细长悬臂柱的这个分类结果令对稳定理论了解不深的设计人员困惑不解。这里我们只能强调,这个柱子没有二阶效应,不要将侧向刚性和侧向柔性的概念与侧向位移验算等效起来,而是要与结构的稳定性计算联系起来。

为什么要引入这两个概念,主要是为了便于设计人员对结构的稳定性有直观的了解。对于一个侧向刚性结构:1)结构的内力分析可以只进行一阶分析,因为它的二阶效应很小;)由于二阶效应小,发生有侧移失稳的倾向很小,可以近似地按层高作为它的计算长度,以简化设计。虽然对于纯框架,取有侧移失稳的计算长度计算框架柱的稳定性更为合理一些。

对一个侧向柔性结构必须采用合适的方式考虑二阶效应的影响。有三种方法考虑二阶效应的影响:1)框架柱计算长度法;)框架内力分析采用二阶分析:假想水平力法等近似的方法和精确的二阶分析方法,柱子稳定性计算可以偏安全地取层高为计算长度或甚至采用无侧移失稳时的计算长度系数;3)放大系数法:将内力和位移乘以Disdnger系数,与这里相似)。引进这一对概念的目的是为了方便设计人员选择合适的图表和公式确定框架柱的计算长度系数,也是为了与传统的“侧移”概念相区别:什么时候采用有侧移失稳的框架柱计算长度系数,什么时候允许采用无侧移失稳的框架柱计算长度系数。现行的钢结构设计规范(GB17―88)第5.2.2条的注也是为了同样的目的。

―88中这一条的有关定义,采用这一条的名称,因为这一条的名称与结构力学分析对应的有侧移和无侧移相混淆,而这一条的实质是为了对框架结构的失稳模式作出判断,并不是结构实际是否发生侧移。这是其一。

名称,内容不变行不行,这就要看这一条规定来的合理不合理了。这条规定是结构稳定理论中重要的、基本的问题。但是无法在国内的资料上看到、查阅到这一规定的来源。GB17―88是参照欧洲钢结构协会ECCS1977年出版的钢结构稳定手册:12第八章中的一个注来规定的。今天再来看这个注,可以注意到,它并没有谈到稳定计算问题,倒是有这样一句:oftheverticalloadonly很明显,注的意思仍然是满足5倍的条件时可以不考虑水平力的影响。注本身并没有问题,问题出在这个注在这本手册中的位置恰恰是讲框架稳定性计算的地方,因此可以认为当时撰写这部分的学者认为这个5倍的标准是用来决定框架的失稳模式的。

3中有关有侧移框架和无侧移框架的划分:框架的抗侧刚度不到支撑架抗侧刚度的1/5时,分担到的水平力不到20%,此框架可看作为无侧移框架,按不考虑水平力的作用来进行框架的设计。

而按我国规范,则此框架可以按无侧移失稳的模式计算框架柱的稳定性。如此一比较可以发现,规范GB17―88规定的用途与Eurocode3规定的用途在目前是不同的,因此有必要进行新的研宄。

对各国规范的考察发现,对什么时候可以采用无侧移失稳的柱子计算长度系数,美国规范没有明确规定。引用美国AISC1993规范C2.FrameStability一节的原文可以看出目前对这个问题的无奈:“Theverti- 1990,对框架结构引入如下定义:强支撑框架是支撑的抗侧刚度足够大,使得框架以无侧移的模式失稳的框架。强支撑框架按照无侧移失稳的框架柱计算柱子的计算长度系数。

弱支撑框架是支撑架的抗侧刚度不足,不能使框架发生无侧移失稳的被支撑框架。弱支撑框架的框架柱的稳定承载力按照下式计算层的稳定性:载力,带下标1的表示无侧移失稳时框架柱的承载力,S是支撑架的抗侧刚度,Sth是支撑架的门槛刚度,是强支撑框架的判定准则,n是某一层的柱子总数,包括所有被支撑的框架柱,也包括构成支撑架立柱的柱子。因为如果交叉支撑杆,这些原先为支撑架一部分的立柱与其余框架一起发生有侧移失稳,因此支撑架立柱本身的稳定承载力也因为支撑杆的引入而得到了提高。

在弹塑性状态工作时,式(2)仍然成立。因为确定计算长度系数的目的是计算框架的承载力,按照式(2)计算避开了计算弱支撑框架的柱子计算长度这一中间步骤,直接确定其承载力。

纯框架是未设置任何支撑的框架,纯框架结构按照有侧移失稳的框架柱计算柱子的计算长度系数。

强支撑框架的判定准则纯框架结构当然发生有侧移的失稳模式;在纯框架结构中增设支撑将使结构的稳定承载力得到提高,根据文,的研宄,临界荷载的提高部分可以偏安全地按正比于支撑的抗侧刚度计算,见;设置支撑后,失稳模包含了有侧移模式的分量和无侧移模式的分量,随着支撑刚度的增加,有侧移的分量越来越小,当支撑的抗侧刚度大到一定程度时,结构的失稳模式发生根本变化:失稳模不包含任何有侧移的分量。

根据上述现象,我们可以得到如下结论:即强支撑框架的判定准则必须将支撑架的刚度与柱子无侧移失稳和有侧移失稳的承载力之差联系起来,因为支撑是整个结构的支撑,所以必须对所有柱子求和。

据作者对支撑问题的研宄及国外对同类问题的研宄的结论:结构的承载力是支撑提供的,支撑抗侧刚度有多大,临界荷载就有多大。

要使这个结构发生无侧移失稳,则起支撑作用的悬臂柱的抗侧刚度必须达到:如H x)的合理性和存在的问题。


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