《关于钢框架柱计算长度系数的确定.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关于钢框架柱计算长度系数的确定.pdf（2页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第 3 8 卷 第 1 1 期 建筑结构 2 0 0 8 年 1 1 月 关于钢框架柱计算长度系数的确定 蔡益燕 ， 郁银泉 ， 舒兴平 ( 1中国建筑标准设计研究院， 北京 1 0 0 0 4 4 ； 2湖南大学 ， 长沙 4 l o ( ) 8 2 ) 1 前 言 钢框架柱计 算长度 系数 的确定 ， 是 工程设计 中关 系重大、 也是现行标 准中最不 明确的 问题 。高 钢规程 J G J 9 9 9 8是 1 9 8 71 9 9 0年期间编制的 ， 当时 国内外关 于高层建筑框架柱计算 长度系数 的有关 资料很少 ， 高 钢规程虽然也提 出一些 重要建议 和思路 ， 但 没有全 面
2、提 出不同情况下的设计计算方法。 钢结构设计规范 ( G B 5 o 0 l 7 2 0 0 3 ) 在这方面作 了巨大努力 ， 取得 了重要 进展 ， 但该规范一般用 于非抗震结 构 ， 对是 否适用 于抗 震结构的设计 以及 如何使用缺 少说 明， 致 使设计人 员 目前对多 、 高层钢结 构抗震设计 时 的框架 柱计算 长度 系数应如何确定仍很模糊 。根据国 内研究 成果 和 国外 有关信息 ， 进行扼要归纳 ， 供设计人员参考 。 2 确定计算方法的判别式 国外有关标准提出了钢框架二 阶效应 稳定系数的 判别式 ， 作为选 择框架柱计算 长度 系数 确定方法 的依 据。美 国 房屋抗震
3、修复标准 F E MA 3 5 6提 出的稳定系 数为 ： = P ( 1 ) 式中 ， P 是在层 标高范围内作用于柱 的总重力荷 载， 是地震反应引起 的在所考虑方向作用 于层 的总水 平剪力计 算值 ， 是 层高 ( 楼板 中心 线间 的距离 ) ； 是楼层 在刚心处 的侧向位移 。 根据式( 1 ) 所得结果 ， 当各 层 0 1时可采用一 阶弹性分析， 不需考虑二 阶效应 ； 当 =0 1 0 3 3时 ， 应考虑二阶效应 ； 当 0 3 3时 ， 结构应视 为不稳 定 ， 需修改截面 ， 重新设计 。这和规范 G B 5 O 叭7第 3 2 8条 大体相同。以上规定 只是一般性地对
4、结构设计 中什么 情况应进行二 阶分析提 出要求 ， 还不是对 确定框架 柱 计算长度系数的全部要求 。二 阶效应有 两种方法 ， 一 种是考虑 P - 效应 对结构进行严格 的二阶分析 ， 另一 种是将一阶分析得 出的结构 内力和位移乘 以放大系数 1 ( 1一 ) ， 研究表明 ， 后者尽管简单 ， 也有较好的精度。 由于上述两种方 法都不是专 门用来研 究柱稳定 的 ， 并 未考虑几何缺 陷等对稳定性 的不利影 响 ， 如要考 虑则 应施加假想水平力 。 3 e0 1时柱 的计算长度系数 采用一阶弹性分 析时 ， 柱计算 长度系 数可按 规程 9 8 J G J 9 9 9 8所示公式
5、， 分别计算有侧 移或无 侧移时 的计 算 长度系数 。无 侧移时 3+1 4 ( Kl+ K 2 )+0 6 4 l K 2 ， _ ， 有侧移时 ( 3 ) 式中K = ： = 。 以上公式 有较 好 精度 ， 因为 是代 数方 程 ， 求 解容 易 ， 可避免求解超越方程的繁琐 。 4 规范 G B 5 0 O 1 7关于强支撑的判别式 多 、 高层建筑 通常采用框 架 +支撑 ( 或剪力墙 ) 的 双重体系。支撑 与柱 的连 接理论上 是铰接 ， 侧 向稳 定 主要 由支撑提供 。规范 G B 5 O ( 】 1 7提出强支撑和弱支撑 概念 ， 强支撑可按无侧移计算 ， 弱支撑介于有侧
6、移和无 侧移之 间， 给出了强支撑 的下列判别式 ： s b 3 ( 1 2 b 一， v 0 ) ( 4 ) 若满足此式可按无侧 移计算 ， 这是 对判别失稳类 型方 面的重要发展。 框架无侧移失稳时 1 ， 弱 支撑框架介于二者之 间。为 了避 免在按规 范 G B 5 0 0 1 7 式( 5 2 2 1 ) 计算框架柱在平面内的稳定性 时计算 的困难 ， 建议取 =1 ， 对于弯矩项分母 中的( 10 8 ) 不会产生很 大误差。该式轴力项 的 系数则 由 规范式( 5 3 3 2 ) 计算 ，不涉及 值 。 5 二阶分析有关规定 当 0 1时 ， 应按规 范 G B 5 0 0 l
7、7第 3 2 8条 的规 定进 行二 阶分析 ， 其 中需考 虑每层柱顶 附加 的假想水 平力 ， 直接求 出无支撑纯框 架杆端 的弯矩。假想水平 力是用来考虑各种 偶然 因素( 几何缺 陷、 残余应力 等) 对稳定性 的不利 影响 的， 国外规范 主要 用某设定值 表 示 ， 我 国采用下式 ： 0 2 + 去 式 中： Q 是第 层的总重力荷载 ； n 是框架 总层数 ， 层 数越多构件 缺 陷的影 响 越 小 ， 但 根 号 内取 值不 大 于 作者简介 ： 蔡益燕 ， 教授级高工 ， E ma i l ： c a i y y 5 1 8 t 0 m c 0 m。 1 0 ； 是钢材强度
8、 影响系数 ， 强度 越高截 面则 相对减 小 ， 使位移增大 ， 故 影 响越大 ， 是通过 国外 规范 比较分 析得 出的， 但在连接 的强度 计算 中不能 套用 ； 2 5 0是弯 曲度几何缺 陷设定 值 ， 详见 规范 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3说 明。 无论是抗震还是非 抗震 设计 ， 考虑构 件 的稳 定 时都应 在二阶分析 中计入 假想水 平力 ， 此式 考虑 了多种 因素 的影响 。此时纯框架的二阶弹性分析可用下列 近似公 式计算 ： 2 l b+ 2 M1 B 式 中， ： 是二 阶分析 时的弯矩 ； M1 b 是无侧移按一 阶分 析时 的杆端弯矩 ； 是有侧
9、移按一阶分析时 的杆 端弯 矩 ； a ， =1 ( 1 一 ) ， 为层 弯矩的增大系数 。该法是将 一 阶 分 析 结 果 放 大 的 计 算 方 法 ， 计 算 简 便 ， 与 美 国 F E MA 3 5 6的规定一致 ， 经算例验证 ， 与二 阶精确方法相 比弯矩误 差不大于 7 ， 见规 范 G B 5 o 0 1 7的条文说明 。 6 A J S C 一 2 o 0 5新 规 定 A I s c 一2 o 0 5 钢 结 构 房 屋 规 范 提 出 了 直 接分 析 法 ， 是钢结 构理论 的新进展 。所谓直接分 析法 ， 就是精 确考虑有关荷载 的效应 和各种不理想 因素对 结
10、构稳定 性 的不利影响 ， 分 析 时取 框架 柱 的计 算长 度系数 等于 1 0 。它本身是作为一种新的设计方 法提 出的 ， 但 对柱 计算长度 系数取 1 0的约束条件 ， 共 3 项 ( 参见 A I S C 一 2 0 0 5的附录 7 ) ： 1 ) 要考虑 P _ 效应 和 P _ 效 应 ， 这是最基本 的( 是构件端部 的偏移 ， 是构件的弯曲度幅值 ) 。 2 ) 要 考虑假想水 平力 ( 或称 概念荷 载 ) 的效应 ， 大 小等于 = 0 0 0 2 ， 是作用 于标高 处的重力 荷载 ， 它考虑一种或几种缺陷引起的效应( 如初始倾斜 、 重力 荷载 的偶然分布 、
11、结构横 截面 的温度 梯度 、 地 基沉 降 、 不规则的柱 缩短 以及 在计 算 中未 明确考 虑 的其 它 效 应 ， 它们 是对稳定 产生 不利影 响 的因素 ) 。系数 0 o o 2 只是考虑 1 5 0 0 初倾斜 ， 即层 间位移等于层 高的 1 5 0 0 。 有可靠依据时也可采用不 同值 。 3 ) 构件 刚度 降低 的影 响， 对 结构 的侧 向稳 定有 贡 献 的构件 ， 抗弯 刚度 和轴 向刚度 都要 乘折 减 系数 0 8 ( 轴压 比大 于 0 5时 折减 更 多 ) 。该项 与 1 ， 2两项 并 列 ， 应视为同等重要 。 7 几点启示 1 ) 取框架柱计算长度
12、系数等于 1 0 ， 至少应符合 上 述第 1 ， 2 两个 条件 ， 按 A I s C 一2 0 0 5附录 7 ， 也 应符合 第 3个条 件。按规 范 A I S c 一2 o o 5中 C 2节 2 a条 ， 则 应 符 合二阶侧移 一 阶侧移 1 1 的要求 ( 其 中， p - 的影 响 已在构件 稳定 系数 中考虑) 。 2 ) 规范 G B 5 o 0 1 7的规定考 虑 各种不 利 因素 影 响 ， 用 9 2 5 0代替 A I S C 一2 0 O 5的 1 5 o 0 ， 可 以反 映非 弹性 变形 和初 弯曲的不利 因素 影响 ， 因而可 以取 计算长 度 系数 1
13、 0 。 3 ) 编制规范 J G J 9 9 9 8时 ， 国际上对于计算 长度 系 数取 1 0的规 定还 没有 出 台， 国外 首次采 用此规 定 的 是加拿大 规范 C A N C s A s l 6 1 一 M 8 9 ， 据 文献 ， l 9 9 4年才 看 到_ 5 J ， 因此 J G J 9 9 9 8受 到 当时客观条 件 的限制 ， 未 考虑反映偶 然 因素 影 响 的假 想 水平 力 ， 有不 足之 处 。 通过与 A I s c 一2 o 0 5 新规定 的对 比， 确信 考虑假想水 平 力是很有必要 的。现在钢 结构工 程设计有 一种倾 向， 即强支撑判别式用不了
14、， 就去走计算 长度系数等于 1 0 之路 ， 而且二阶效应又不考虑假想水平力 ， 存在不安 全 因素 ， 应予以改正。 致谢 ： 本文承陈绍蕃教授 审阅和修改 ， 谨致谢 意。 参 考 文 献 1 J F e d e r a l E m e r g e c y M 肌a E e m e n t A 旨 e n c y P r e s t a I l d a r d a Il d c o m m e n t a r y f 0 r t h e s e i s li c R e h a b i l it a t i 0 n o f B u i l d i n g s ， F E M A 3 5
15、6 ， 2 o 0 O ( 1 1 ) 2J G J 9 9 9 8高层民用建筑钢结构技术规程 s 1 9 9 8 3G B 5 0 0 l 7 2 0 0 3钢结构设计规范 s 4 J A I S C， S p e c i f i c 砒i 0 n f 0 r s t n l c t u s t e e l B u il d i n g s ， 2 o o 5 5陈绍蕃 国外钢结构规范特点和对我国的借鉴作用 c 中国 钢结构协会成立 2 O 周 年学术年会论文集 ， 2 O o 4 国家标 准图集 0 8 S Gl l 5 1编制完成 由中国建筑标准设计 研究 院为主编单 位编 制完成 的
16、国 家建筑标准设计 图集 钢结构施工 图参数表示方法制 图规则 和构造详 图 ， 在 国内率先 提 出钢结 构设计 施工 图参 数表 示 方法 ， 填补 了国内空 白 ， 是钢结构设计 领域 的一次革命 ， 节 点 设计可节省 8 0 的设 计工 作量 ， 显 著提 高 了钢结构 设计 效 率 。编制团队核心人员 同时也是行业 标准 高钢规 的参编人 员。图集的应用可普遍 降低钢结 构设计入 门的技术 门槛 ， 针 对普通的多高层钢结构设计工作 ， 帮助设计人员轻松设计 出 合理的钢结构节点。图集节点既可直接选 用 ， 也可参照本 图 集的设计方法和表达方式 自行设计新节点。 适用范围 ： 1
17、 ) 本 图集 适用于非抗震设计及抗 震设 防烈度 为 6 9 度地 区的一般多 、 高层钢结构建筑及含有 钢框架 、 钢 支撑 的多、 高层 建筑 ( 除 甲类建筑 以外 ) 的钢 结构 施工 图设 计。2 ) 适用对象包括钢结构设计人员 、 钢结构 加工制作企业 技术 人员 、 施工技术人员和监理人员 ， 以及大专 院校师生 。 主要内容 ： 1 ) 本 图集包括 常用 的钢结构 柱、 梁 、 支撑三种 构件及其连接节点的节点参数表示方 法制图规则 、 平立面布 置图、 节点选用 图以及焊缝图例 四部分 内容 。其 中节点选用 图主要由节点适用 范围、 节点 图、 节点参数表 ( 含 节点钢板厚 度表 ) 组成 。2 ) 本 图集构件截 面类 型为 ： H形截 面、 箱形截 面 钢柱 ； H形截面钢梁 、 钢 支撑 ； 3 ) 本 图集节 点类 型为 ： 梁柱焊 接刚接节点。 9 9