基于变形性能的高柔钢框架结构高等分析与实用设计方法研究

The most advantage of advanced analysis and design method for the structures is that, the ultimate capacity and deformation performance of a structural system can be analyzed directly so that the strength and stability checks for all separate members are not required. At present, the domestic and external research emphasis in this field still generally focuses on the overall structure ultimate capacity influenced by the various nonlinear factors. However, some research results indicate that, for the high-rise steel frame structures designed by the strength limit state based advanced analysis method, their deformation checks do not satisfy the requirements for normal stage function generally. In addition, the randomness problem of initial imperfections has not well been considered when using the method of the most unfavorable distribution of imperfections or applying the equivalent notional loads in accordance with the codes. In view of the above problems, the main research will be carried out in this project as follows. According to the acceptance records of construction quality of some existing steel structures at home and abroad, the evaluation of construction technical level of steel structure will be done in advance in China. On the basis of experimental study results, the method considering random initial imperfections will be established, and the random imperfection models of high-rise steel frames also will be built. Moreover, the criteria for judging the serviceability limit state will be proposed in the advanced design from the structural applicability point of view. For the high-rise and flexible steel frame structures whose allowable load capacity are controlled by the deformation limiting values, a new practical deformation performance-based advanced design method will be proposed, which will provide reference for the code revisions.

结构的高等分析和设计方法的最大优点在于，能够直接分析结构整体的承载能力和变形性能，而不必单独对结构中的各构件进行强度和稳定性验算。目前国内外在该方向的研究重点仍然普遍集中在考虑各种非线性因素对整体结构极限承载力的影响上。但有研究表明，按基于承载能力极限状态的高等分析方法设计多高层钢框架结构，其变形验算往往不能满足正常使用功能的要求。此外，现行规范采用的最不利缺陷分布及假想水平荷载法均没有很好的考虑构件缺陷的随机性问题。因此，本项目拟对国内外已建钢结构工程的施工验收记录进行统计，尝试评价我国目前钢结构施工技术水平。在试验研究的基础上，拟采用考虑随机初始缺陷的分析方法，建立多高层钢框架结构的随机缺陷模型。从结构适用性角度分析高等设计方法在正常使用极限状态的判别标准。对由结构变形限值控制设计的高柔框架，拟提出一种实用的基于变形性能的新型高等设计方法，可为钢结构规范的修订提供参考。

目前国内外在关于高等分析方法的研究重点普遍集中在考虑各种非线性因素对整体结构极限承载力的影响上。但按基于承载能力极限状态的高等分析方法设计高柔钢结构时，其变形验算往往不能满足正常使用功能的要求。此外，现行规范采用的最不利缺陷分布及假想水平荷载法均没有考虑构件缺陷的随机性问题。本项目采用了实测统计、试验研究与数值模拟三种方法，统计分析了10个国内外多高层钢结构已建工程的施工质量验收记录，对我国目前钢结构施工技术水平进行评价，得到了实际结构构件真实初始缺陷的分布规律和结构整体垂直度的控制水平，这些偏差都远远小于规范允许的限值。采用蒙特卡罗法拉丁超立方抽样技术模拟了实际结构和构件的随机初始几何缺陷，通过自编Matlab程序实现了考虑随机初始几何缺陷的分析方法，为开展准确有效的高等设计研究奠定基础。对两榀单跨双层纯钢框架和框架支撑结构进行了缩尺试验，重点研究了初始几何缺陷对结构变形性能的影响，并与有限元分析结果对比吻合，证明了考虑随机初始缺陷有限元模型的正确性。建立了6-30层钢框架结构172种工况以及32-50层钢框架支撑结构96种工况的随机缺陷模型，应用ANSYS有限元程序围绕结构高宽比、二阶效应参数、框架柱长细比和梁柱总线刚度比开展了大量的全过程高等分析，共计12万多算例。采用概率统计的方法确定了结构各层柱顶位移和梁跨中挠度，并与多种规范考虑初始缺陷的分析方法计算结果进行了对比。结果表明，考虑真实随机缺陷计算的结构二阶位移仅比理想框架的变形有少许增加；采用最不利缺陷分布和假想水平力的规范方法算得的二阶位移最大。按承载能力极限状态设计的高柔钢结构，其二阶侧移因超过了规范规定的限值要求而使其极限承载力失效，即结构的实际承载力由满足变形要求的容许承载力决定。根据大量参数分析的结果拟合出高层钢结构二阶侧移的实用计算公式，经验证可以直接用于类似结构的二阶侧移计算。从实际应用角度出发，对高等设计中结构构件的真实缺陷分布给出了近似考虑办法。提出一种实用的基于变形性能的高等设计方法。首先在荷载效应标准组合下研究结构的变形性能，然后考虑基本荷载组合验算结构的承载能力。通过国内外规范设计的算例证实，基于变形性能的实用高等设计方法简单高效，设计结果与基于承载力状态设计法一致，可在高柔钢结构设计中广泛应用，并为钢结构规范修订提供参考。