英语原文共 505 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
Steel Frame Design Using Advanced Analysis
使用高级分析法的钢框架设计
在美国使用的钢结构设计方法是容许应力设计(ASD),塑料设计(PD)和负载和阻力系数设计(LRFD)。在ASD中,应力计算是基于一阶弹性分析和几何非线性效应隐含性的对成员设计方程做出解释。在PD,一阶塑性铰分析用于结构分析。整个结构系统PD允许非弹性力再次分配。从几何非线性而逐步屈服的影响并不能解释PD的分析,它们是近似的构件设计方程。在LRFD中,一阶弹性分析的放大因素或直接二阶弹性分析是用来考虑几何非线性，梁柱的极限强度是隐含性地反映在设计相互作用方程中。三个设计方法需要独自地承载能力核对包括增殖系数的计算。接下来,简要描述LRFD方法的特征。
结构系统的强度和稳定性与其构件是相关的,但相互作用在当前美国钢结构研究所(出版社)-LRFD规范被分别对待。在当前的实践中,结构体系及其构件之间的相互作用用有效长度系数表示。这方面被描述在以下摘录,科学分析和研究中心的技术备忘录
尽管框架的最大强度与组成部分的最大强度是相互依存的(但不一定必须要共存) 人们认识到在许多结构中严格考虑这个相互依存并不实用。同时,人们知道在复杂的框架中试图自动补偿整个框架不稳定的设计会遇到困难(例如,通过调整柱子有效长度)。因此,科学分析和研究中心建议,在设计实践中,这两个方面,稳定独立的部分和结构的元素和稳定的结构作为一个整体,单独考虑。
这种设计方法是标记在图2.1中，作为间接的分析和设计方法
在当前AISC-LRFD规范[1],第一阶或第二阶弹性分析是用来分析一个结构系统。在使用一阶弹性分析时，一阶矩由B1和B2因素放大来说明二阶效应。在规范中, 结构系统各部分都是孤立的,然后通过强度曲线和交互方程来设计。已给规范中,隐含地考虑二阶效应,无弹性力,残留应力和几何缺陷[3]。柱曲线和梁曲线发展通过理论解决方案和实验数据的曲线拟合,而梁柱交互耦合方程是由所谓的“精确”的曲线拟塑性区产生的解决方案Kanchanalai [4].
为了说明个体部分的强度对结构系统的影响，使用有效长度系数如图2.2所示。。有效长度的方法提供了一个良好的框架结构的设计。然而,有效长度的方法是有一些困难,如下:
- 有效长度的方法不能准确地解释结构系统与各部件之间的相互作用。这是因为在由简单的有效长度系数k表示的一个大的交互结构体系是太复杂.结果,这种方法不能准确预测框架构件的强度。
FIGURE 2.1 分析和设计方法
FIGURE 2.2 Interaction between a structural system and its component members
2，在结构系统中, 有效长度的方法不能说明非弹性内力的再分配。由于含有B1和B2因数的一阶弹性分析仅仅能够解释二阶效应而不是非弹性内力重新分配。有效长度得方法对极限承载力大结构系统提供了一个保守的估计。
3，有效长度的方法无法推测对于结构系统一个给定的负载的失效模式。这是因为LRFD相互作用方程对结构系统的失效模式分解负荷不提供任何信息。
4，有效长度的方法不是用户友好的计算机设计。不能很方便的用计算机设计，
5，有效长度的方法是一个检查构件最大限度涉及增殖系数的计算耗时的过程。
随着计算机技术的发展,两个方面，单独的构件稳定性和结构的稳定性概括起来能严格地结构的最大强度，这种设计方法是如图2.1所示为直接的分析和设计方法。直接的方法设计的发展称为“高级分析”,或者更具体来说,“二阶弹性分析框架的设计。“在这种直接的方法,它是不需要计算有效长因数。因为不需要规范方程包含的单独构件承载能力检测。当前现有的计算技术,直接采用先进的分析技术分析框架设计是可行的。在办公室里，这种方法过去被认为是不切实际的设计。本章的目的是提供一个实用、直接钢框架设计的方法,利用先进的分析方法,将产生和LRFD方法几乎相同的结果。
高级的分析方法在设计使用中优势概括如下:
- 高级的分析是钢结构工程师在设计使用的另一个工具,及其应用不是强制的,但将提供给设计者一个灵活的选择。
- 高级的分析方法直接获取了结构系统和独立构件极限状态的强度和稳定,所以规范方程包含的独立构件承载能力检测不是必需的。
- 相比LRFD ASD的方法,高级的结构分析方法通过直接非弹性二阶分析提供了更多的结构信息。
- 高级分析方法克服由于不兼容性的弹性全局分析和在传统LRFD方法中极限状态设计的困难。
- 高级的分析方法是一个基于计算机的用户友好的设计,但LRFD和ASD方法不是这样,因为他们需要在分析独立构件承载能力检测时对因数k进行计算。
- 高级分析方法获取整个结构系统非弹性的内力再分配结构,并且高度节约经济高度不确定的钢结构材料。
- 现在可行的采用高级的分析技术,过去在设计办公室使用被认为是不切实际的,因为个人电脑和工程工作站的能力正在迅速提高，现在是可行的。
- 数据大小取决于高级分析方法接近LRFD方法的程度,由于高级的分析方法是校准曲线和梁- LRFD列列相互作用方程。因此,高级的分析方法替代了LRFD方法
- 由于高级的分析方法是一种基于结构的分析和设计方法,它更合适性能化消防和抗震设计比传统的构件设计方法[5]。
在各种高级的分析法中,包括塑性区,塑性铰链法,弹塑性铰法,名义负荷载塑性铰法,改进塑性铰的方法,推荐使用改进塑性铰的方法,因为它保留了效率和简单实用的计算和精度。这种方法是对传统的弹塑性铰链方法的改进。这些包括一个简单的修改，考虑渐进的截面刚度在塑性铰位置和退化,包括两个塑料铰链度逐渐降低。
在表2.1就传统LRFD方法和实际方法用来证明受主要影响的高级分析方法的关键因素作了比较。虽然LRFD方响隐含在在其柱强度和梁柱相互作用方程之中,高级的分析方法通过用稳定性的功能，刚度退化函数和几何缺陷来解释这种影响,它将在2.2节中详细讨论。
高级的分析掌握着钢结构的实际情况的许多结果,因此,作者提出的设计方法推荐给工程师，试图有效率和理性执行框架设计,但与目前LRFD规范一致。在接下来的部分中,我们将提出一个实用的高级分析方法对钢框架结构的设计。方法的有效性将通过比较实际的案例研究。构件和框架的结果分析/设计基于精确塑性区解决方案和广泛的案例研究和比较应该确认的有效性先进的方法。
2 高级实用性分析
本节提出了一种消除独立构件承载能力检查的规范实用的直接设计的钢结构的高级分析方法。对改进塑性铰法简单地修改开发和改进的常规弹塑性铰的方法来实现简单和实际行为的现实表示[6、7]。方法的验证将在下一节中提供并最终确认该方法的有效性。
连接的灵活性可以用高级的分析方法解释。传统的钢结构分析和设计通常假设梁柱的连接要么是完全刚性的或理想的固定。然而,大多数连接半刚性的和在实践中他们的行为是这两种极端情况之间。AISC-LRFD规范中[1],两种类型的施工指定:FR型(完全约束)结构和pr(部分约束)结构。LRFD规范允许连接的灵活性的评价“半刚性的意思。”
当连接的工作已经完成,大量的moment-rotation收集的数据。在这个数据库中,研究人员已经开发出几个连接模型包括:线性多项式,b样条、强度和因数。在此, Kishi andChen提出的带三个参数的动力模型被采用[8]。
在使用高级的分析方法时。几何缺陷应该由框架单元构造几何缺陷造成不可避免的在制造或安装时存在误差。对于建筑框架的结构构件,几何缺陷的类型是非线性的和非垂直的。在建模过程中，等效载荷过去被用于解释几何缺陷。在这一部分中,一种新的方法是进一步减少构件的切线刚度[6,9]。这种方法提供了一个简单的方法来考虑影响缺陷不用输入名义载荷或显式几何缺陷。
在这一节中描述的实用先进的分析方法仅限于二维的支撑,无支撑和半刚性，不考虑结构构件的空间状态。结构的空间行为认为,横向扭转屈曲被认为是预防足够的侧向支撑。结构分析,包括空间行为等影响[10 - 12],构件局部屈曲(13、14),横向扭转屈曲(15、16)。目前的方法可能被视为一种临时分析/设计过程之间的传统LRFD方法现在和更广泛使用严格先进的分析/设计方法,如塑性区开发的方法未来的实际使用。
2.2.1 改进的二阶塑性铰分析
在本节中,提出了一个名为改进塑性铰的方法。这个方法与弹塑性铰分析方法相比较是高效率、更简单,而且没有局限性。在这一分析过程中,稳定函数是用来预测二阶效应。稳定性的优势是使分析方法在实际使用中每个梁柱只有一个元素。改进塑性铰分析方法使用两个表面屈服模型和一个有效的切线模量同时考虑了刚度退化，考虑到分布式框架构件的可塑性。构件的刚度假定刚度逐渐退化为二阶强度，研究关键部位截面的塑性强度。当柱被施加一个大轴线荷载时，柱切线模量被常用于表示构件有效刚度。因此，改进的塑性铰模型可以近似模拟沿着单元长度的塑性分布的影响，这些影响是由原始缺陷，较大弯曲和轴向力作用引起的。实际上，由 Liew et al. [7,17], Kim and Chen [9], andKim [6]的研究表明,改进塑性铰分析获得了结构系统和构件强度和稳定性之间的相互作用。因此,这种类型的分析方法可能被作为一种高级的分析方法，因此规范的各个构件极限承载力的检验不是必要的。
2,2,1,1 稳定性函数
为了获得二阶效应，推荐使用稳定性函数，因为稳定性函数通过使用每个构件一到两个节点在建模时和计算功夫上会有较大的节省。Chen and Lui 得出了简化的稳定性函数，或者另一种函数也会被使用。考虑到菱形的梁柱节点，该节点的增量-位移关系可以写成
S1,S2是稳定性函数, MA, MB是端弯矩增量，P是增加的轴向力，QA.QB是节点转角增量，e是轴向位移增加量，A.I.L分别是面积，惯性动量，梁-柱单元的长度，E是弹性模量，在这个公式中,所有构件都认为是充分做好防止平面外屈曲及其截面是紧密的,避免局部屈曲。
2.2.1.2 横截面塑性强度
基于AISC-LRFD双线性相互作用方程，横截面塑性强度被表达在方程2,2中，在强轴和弱轴弯曲中，这些AISC-LRFD横截面塑性强度曲线可以被采用。
P、M是二阶轴向力和弯矩,Py是挤压荷载,MP是塑性弯矩能力。
2.2.1.3 CRC切线模量
CRC切线模量的概念被用来说明逐渐屈服效应由于残余应力沿着轴向载荷下构件的长度在两个塑料铰链之间，在这个概念中，弹性模量E，惯性模量I，减少来解释横截面弹性部分的减少由于在不同部分弹性模量的减少是比转动惯量的实现更容易。刚度的减少在强轴和弱轴之间是不同的，但这并不被认为是在弱轴强度在刚度方面迅速减少可以通过更强的弱轴塑性强度来弥补。因此,这种简单将使目前的方法较为实用，来自Chen and Lui [18], CRC Et方法如下：
来自于CRC柱曲线的构件切线刚度退化
2．2.1.4 抛物线函数
在方程2.3中，切线模量方程适用于P/Pygt;0.5，但是它不能充分表示小轴力和大弯矩情况下的刚度退化，塑性铰的刚度逐渐退化要求代表了与弯曲行为相关的均布塑性影响。我们将介绍硬化塑性铰模型代表从弹性刚度为零刚度与全面发展相关联塑性铰的逐渐过渡，当硬化塑料铰链可以由一个节点的两端所代表,增量-位移关系可以表示为
这里，MA,MB,P分别代表端弯矩增量，轴向力，S1，S2是稳定性函数，Et是切线模量，na,nb是节点刚度参数。
抛物线塑性铰刚度退化函数a0frac14;0.5基于荷载和阻力系数设计截面强度方程
光滑的刚度退化为硬化塑性铰基于负载和阻力系数设计截面强度曲线。
参数Z代表在截面上与弯曲相关的逐渐的刚度减少，部分增塑作用在截面最后部分用05 z51的表示。Z根据抛物线表达式(图2.5)可能认为有所不同:
在这里，a代表是一个受力状态下的参数，这个参数来自于限制状态相应的构建末端表面。
在这里，P.M分别是二阶的全截面轴力和弯矩，独自地Mp是塑性弯矩承载力。
2.2.2 半刚性框架分析
2.2.2.1 实用性连接模型
拟合能力模型包含三个参数:初始连接刚度R ki,最后连接极限能力M u,形状参数n。模型可以写成
在这里，m=M/Mu, Q=Qr/Qo , Qo是塑性旋转，Mu/Rki,Mu，是连接件的极限承载弯矩，Rki是最初的连接刚度，n是形状参数，当连接件被加载时，连接切线刚度Rkt,任意旋转Qr,可以通过简单的微分方程推导得到，如2.7
当连接件未加载时，切线刚度等于最初的刚度。
2.2.2.2 用计算机程序的三参数使用估计
功耗模型的实际应用的一个重要任务是确定三个参数对于一个给定的连接配置。在确定三个参数时一个困难是所需要的是数值迭代,特别是估计最终的力矩Mu，一系列的设计计算图表由Kishi et al提出来克服困
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[149947]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
