半刚性连接钢框架整体结构屈曲荷载计算模型VIP专享VIP免费

第21卷第3期宁波大学学报（理工版）Vol.21No.32008年9月JOURNALOFNINGBOUNIVERSITY(NSEE)Sept.2008文章编号:1001-5132（2008）03-0374-06半刚性连接钢框架整体结构屈曲荷载计算模型王新堂，王健（宁波大学建筑工程与环境学院，浙江宁波315211）摘要：在综合考虑梁柱任意半刚性连接及弹性支撑特性的基础上，建立了单层多跨平面钢框架结构整体失稳的线弹性屈曲荷载的解析计算模型，并同时考虑了所有柱脚的半刚性特征，使模型的适用范围更为广泛.本模型中的半刚性连接特性通过在所有梁柱连接处设置虚拟约束弹簧实现，弹性支撑则通过在柱顶引入具有任意刚度参数的水平弹簧实现.基于上述的基本模型，通过对所有构件建立失稳状态的控制方程并引入相应的连续性条件和边界条件，建立了平面单层任意多跨框架结构整体失稳的临界荷载解析计算方法，并研制了相应的计算程序.分析结果表明，半刚性连接特性和水平支撑效应对框架结构整体稳定性的影响极为显著，而且作用于多跨框架结构柱顶竖向荷载的分布特征对结构的整体稳定性有不可忽视的影响.另外，结构的支撑刚度及节点的半刚性连接特性对单层框架整体稳定性的影响具有明显的界限性和区间效应，对此需进一步开展深入研究.关键词：单层多跨框架；整体结构屈曲；半刚性连接；计算模型中图分类号：TU973+.21文献标识码：A目前，在有关讨论半刚性连接平面框架受力性能的文献中，如何确定整体结构的极限承载力是人们最为关注的课题之一.文献[1,2]着重分析了如何确定与梁柱连接特性有关的有效弹性约束，未考虑整体结构的稳定性计算及节点半刚性的影响.文献[3,4]则分别建立了半刚性连接平面框架和任意半刚性连接空间结构弹性分析的计算模型，该模型可通过调整半刚性连接参数使其退化为理想铰接和完全刚性连接，使计算模型有一定的普遍适用性.文献[5,6]仅讨论了半刚性连接单跨平面钢框架的稳定计算模型的建立，而本文的研究对象为多跨结构.文献[7]利用增量法对半刚性连接框架结构进行了非线性分析且同时考虑了几何非线性的影响，但对于如何确定屈曲荷载并未讨论.文献[8]则着重讨论了半刚性连接框架柱等效屈曲长度的简化计算方法，与本文基于整体结构屈曲荷载分析的计算方法有很大的差异.为了进一步理解和分析任意半刚性连接钢框架的整体稳定性，本文建立了单层任意多跨框架结构整体稳定计算的解析模型.针对模型中几何参数、连接特性和几何条件的变化，利用所研制的程序进行了大量分析，并与文献[7]结果进行了比较，二者相当吻合.通过算例分收稿日期：2007-12-18.宁波大学学报（理工版）网址：http://3xb.nbu.edu.cn基金项目：浙江省科技计划项目（2008C3013）；宁波市自然科学基金（2007A610060）.第一作者：王新堂（1963－），男，陕西凤翔人，博士/教授，主要研究方向：钢结构.E-mail:wangxintang@nbu.edu.cn第3期王新堂，等：半刚性连接钢框架整体结构屈曲荷载计算模型375析与比较得到了一些有价值的结论.1半刚性连接平面框架整体屈曲分析的解析模型图1为本文所研究的具有n跨的半刚性连接和半刚性约束的平面框架结构，各单元(单个构件为1个单元)的截面惯性矩记为(1~21)iIin=+.其中，图1中的(1~1)iPin=+为作用于各柱顶的集中荷载，(1~1)iSin=+为柱脚与基础连接刚度的割线值，(1~)LiRiSSin=，为第n跨梁分别与左右柱连接点的半刚性连接刚度割线值，而任意节点(含各柱脚与基础的连接点)的半刚性连接数学模型可统一表示为：jjjMSθ=，(1)这里的jM为节点j能够传递的弯矩，jθ为交于连接处的构件端截面的相对转角或柱脚相对于基础的转角.上述模型中的水平弹簧用于模拟实际的侧向支撑，而支撑刚度bK可根据实际的支撑单元参数确定.对于图1所示结构，可分别建立整体结构失稳时各杆件的控制微分方程.其中整体结构失稳时所有柱单元的控制微分方程为：20(1~1)''''''iiivkvin+==+，，(2)其中：2(1~1)iiiPkinEI==+，.(3)梁单元的控制微分方程为：0(2~21)''''jwjnn==++，.(4)这里的iv为i柱的水平位移(向右为正，x坐标均以各柱的下端为原点)，jw为j梁的竖向挠度(向下为正，各梁的局部坐标x以各梁的左端为原点)，共计21n+个.分别求解上述2组方程(2)及(4)即可得到各梁...