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竖向荷载下纵向柱列支撑的设计方法研究

赵金友  
【摘要】:在钢结构中通常利用支撑来提高结构或构件的稳定性。单层厂房纵向柱列支撑体系通常由柱间交叉支撑和水平撑杆组成,其作用是保证框架的纵向稳定、减小框架柱平面外计算长度以及传递纵向水平力。过去国外学者对支撑设计方法的研究主要集中于单柱-支撑模型的试验和理论分析上;国内学者则集中于柱顶竖向荷载相等时的柱列支撑体系的理论分析上,尚没看到柱顶竖向荷载不等时柱中水平撑杆受力分析的研究报导。另外,国内外尚未见到有关纵向柱列支撑体系的试验资料。 在纵向柱列支撑体系中,柱子和水平撑杆的初始几何缺陷都是随机变量,两类构件初始几何缺陷的随机遇合可导致水平撑杆受压或受拉。但以往的研究大多是按照最不利初始几何缺陷组合对纵向柱列支撑体系进行受力分析的,仅假定水平撑杆受压,不符合实际情况。因此,有必要深入开展带有随机初始几何缺陷分布的纵向柱列支撑体系的各种受力问题的研究工作,寻求合理的设计方法。 本课题采用少量的试验验证与大量的有限元参数分析相结合的方法,对纵向柱列支撑体系在竖向荷载下的各种受力问题进行了较系统的研究。在进行有限元参数分析时,采用蒙特卡罗方法考虑了柱子和水平撑杆初始几何缺陷的随机遇合问题。以设计应用为目标,通过数值计算、参数分析和概率统计,提出了简化实用的设计公式,可供规范修订和设计时参考。 本文对带有不同初始几何缺陷分布的三种纵向柱列支撑体系的试验模型进行了一系列的静力试验研究。三种试验模型分别是柱脚铰接的单层纵向柱列支撑体系、柱脚铰接的双层纵向柱列支撑体系以及柱脚刚接的双层纵向柱列支撑体系。通过试验研究,得到了三种试验模型的失稳模式、极限承载力和水平撑杆受拉、压的随机性等受力特点。采用ANSYS有限元模型对试验进行了模拟验证,计算结果与试验结果吻合良好,验证了利用有限元方法分析该问题的可靠性,为后续理论研究工作的进一步开展打下了良好的基础。 采用蒙特卡罗方法,考虑实际工程中柱子和柱顶撑杆初始几何缺陷的随机遇合,应用有限元程序ANSYS对承受竖向荷载作用的单层纵向柱列支撑体系进行了大量的参数仿真分析,得到了体系的三种失稳模式,通过概率统计得到柱顶撑杆所受内力的三峰正态概率密度函数,据此确定了可用于实际工程设计的柱顶支撑力的大小,为传统的柱顶撑杆由纵向水平力决定的设计方法补充了竖向受力分析的验算办法。结果表明,柱子和柱顶撑杆初始几何缺陷的随机遇合作用导致柱顶撑杆受压、拉或零受力的随机性,因此,使确定的设计支撑力更加合理。 采用蒙特卡罗方法,考虑柱子和水平撑杆初始几何缺陷的随机遇合,应用有限元程序ANSYS对柱脚铰接的双层纵向柱列支撑体系进行了大量的参数仿真分析,得到了体系的四种失稳模式,通过概率统计得到柱中水平撑杆所受内力的概率密度函数,据此确定了可用于实际工程设计的柱中支撑力的大小,结果表明:考虑柱子和水平撑杆初始几何缺陷的随机遇合作用所得到的水平撑杆的设计内力,比国内外相关规范中规定值均小许多。 采用蒙特卡罗方法,考虑柱子和水平撑杆初始几何缺陷的随机遇合作用,确定了柱脚刚接的双层纵向柱列支撑体系的柱中撑杆设计要求,并与相同条件下柱脚铰接的柱中撑杆设计要求进行了对比研究,分析了后者高于前者的原因。所得结果有别于已有研究。 开展了柱顶竖向荷载不等时柱脚铰接的双层纵向柱列支撑体系柱中撑杆设计要求的研究,与柱顶竖向荷载相等时的情况进行了比较,提出了相应的设计建议公式。分析表明,柱顶竖向荷载不等时纵向柱列体系的失稳是缘于个别受荷载较大的柱子的失稳破坏,并非所有柱子均已达到其各自的极限承载力,这一结论有别于现行国家规范。 基于在竖向荷载下保证框架纵向稳定性的要求,得到了单层和双层纵向柱列支撑体系中交叉支撑的刚度要求,为交叉支撑通常由纵向水平力决定的传统设计方法提供了一种考虑竖向受力的补充验算办法。


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