热轧h型钢门式刚架结构的整体二阶弹塑性分析

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第七届全国现代结构工程学术研讨会热轧H型钢门式刚架结构的整体二阶弹塑性分析赵滇生宗丽杰(浙江工业大学建筑工程学院，杭州31∞j辞摘要：本文采用_^NsYs有限元程序，对用等截面弹塑性梁单元离散的热轧H型钢门式刚架结构进行整体非线性分析，并对比讨论结构极限承载力。对整体热轧H型钢门式刚架结构尊例进行了二阶弹塑性分析，分析了结构的几何非线性对整体热轧H型钢门式刚巢结构的影响程度，得到了整体门式刚榘结构各柱顶节点的荷载～侧移图和应力云图。整体热轧H型钢门式刚桨结构受几何非线性的影响程度要材料非线性的影响程度高出许多，几何非线性因素常常成为结构设计时的主要考虑因素。整体门式刚架结构在不考虑二阶效应的弹塑性分析时确实是在产生了许多塑性铰后结构形成机构而破坏，但在考虑二阶弹塑性分析时是由于结构侧移太大而不能再继续承受荷载。关键词：整体热轧H型锕门式刚架结构，二阶弹塑性分析。结构极阻承载力二I、引言门式刚架结构体系是指由横向门式刚架和抗风柱为主要受力构件，以冷弯薄壁型钢檩条和墙梁、压型钢板轻型屋面板和墙板等掾要受力构件组成的轻型钢结构建筑。在我国工业建筑中己得到广泛应用。等截面的热轧H型钢构件组成的轻型门式刚架结构体系具有很多优势，特别是在减少制作工作量、节约制作成本和结构安装等方面优势明显。现有的研究大多集中在对单榀的等截面粱柱门式刚架的非线性性能的研究，对等截面整体热轧H型钢门式剐架的弹塑性有限元分析尚不多见。对门式刚架结构进行的整体二阶弹塑性分析，一般有两种基本思路：一种是采用简化公式的近似方法；另一种则是基于有限元或有限条分析的数值分析方法。数值分析方法相对比较精确，可以在分析的过程中考虑各种因素的影响，从而研究较为复杂的结构体系。有限元方法足研究结构非线性问题的有效方法，本文就是采用ANsYs有限元分析对等截面弹塑性粱单元离散的整体热轧H型钢门式刚架结构进行非线性分析。并对比分析结构极限承载力。二、二阶弹塑性分析理论本文的二阶弹塑性分析能够充分掐述结构系统的强度与稳定性，全面考虑了整体结构的各种非线性性能，并不着眼于单个构件的承载力验算。文中采用ANSYS有限元分析对整体热轧H型钢门式剐架结构的二阶弹塑性分析的步骤”’如下：1)确定荷载及荷载的组合．考虑静荷载、活荷载、冲击荷载、风、地震、雨和雪等荷载。2)结构系统的建立，包括构件初始尺寸的确定，考虑框架的支撑与非支撑、截面类型等。3)结构构件的模拟，用尽量少的单元对结构划分单元。4)几何缺陷的模拟，选择显式的缺陷模型或缩减切向刚度模型。5】结构分析，采用比例加载和增量加载。6)考虑承载力极限状态有无显著非线性弯矩重分布，使用极限结构的变形及框架侧移是否满足要求。7)结构系统的合理性检查及构件尺寸大小的调整。ANsYs有限元分析时直接描述了结构系统及其构件的强度与稳定性的极限状态，克服了常规整体弹性分析与构件极限状态设计不一致的困难。工业建筑2007增书 第七届全国现代结构工程学术研讨会结构和构件的初始缺陷是影响结构稳定和承载力的一个重要因素，尽管设计规范中在选择构件时已作了一定的考虑，如加大安全系数、设置支撑等。但对于缺陷敏感型结构，缺陷会导致结构承载能力明显下降，应该予咀专门考虑，因此文中ANsYs有限元分析时考虑了初始缺陷的影响。三、数值算例(一)模型墒介门式刚架的整体分析模型采用的算例，是一个热轧H型钢单跨对称门式刚架(见图1)。1)模型几何尺寸，跨度扛24m，柱高^=6m(自基础顶面至柱顶)，屋面坡度f=1，8，口=7．125。，c0蝴=O．9923，刚架间距f-6m，房屋总长搿=66m，钢材采用Q235．B钢，手工焊，焊条型号为E43系列型。·2)荷载取值屋面材料及自重标准值(沿屋面坡面)：w600型压型钢板O．15lcN，m2、檩条及支撑0．10kN，m2(檩条水平间距4=1．2m)。刚架斜粱自重(估计值)o。15kN，一；屋面均布活荷载(水平投影面积)：基本雪压蛐=O．45kN恤2．屋面积雪分布系数F，=1：0(口<25。)，雪荷载标准值＆气坼曲=0．45kN，m‘；风荷载：基本风压w0=O．45kN／Inz，地面粗糙度B类、离地面10m及以下的风压高度变形系数此=1．O，风荷载体型系数按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》8JcEcs102：2002采用，封闭式剐架的风荷载体型系数按表l采用(见图∞·表1剐架的风荷载体型系数图2双坡刚架的风荷载体系系数分区分区端区中间区lE2E3E4E5E6E123456+n50．1．帅-0J80旬，70+0，90．0．30+o．25．1，00n65．0．55+o．65-o，1S因房屋高度较小，不考虑风振，风荷载标准值帆=∥：“M竹O￡N，m2)；墙体(包括墙面、墙架)及刚架柱自重标准值ANsYs建模时忽略。3)构件截面本文中构件截面采用文献[3】中算例的截面尺寸，文献【3】是通过机构分析，确定截面的塑性弯矩来初选构件截面。刚架粱柱构件均采用热轧H型钢，它可以从热轧H型钢的国家标准中直接选用合适的截面型号口】。合适型号是指提供的截面抵抗矩矸0应与需要的相接近，同时又要求截面积为最小。此外，截面的尺寸还要符合塑性设计时，对扳件的最大宽厚比的要求；刚架的钢斜梁与钢柱采用同一热轧窄翼缘H型钢截面皿奶96x199×7×1l，屋面檩条和墙梁均采用冷弯薄壁型钢C180×60×25×5。屋面板和墙板均采用单层压型钢板。在两个端柱间和跨中设置柱间支撑与屋面支捧，屋面支撑为担8圆钢。柱间支撑为口150×8方钢管。杆件截面几何特性见表2。工业建筑2007增刊 第七届全国现代结构工程学术研讨会表2截面几何特性表(二)^NSYs建模介绍建模假定t1)剐架梁柱离散化为3节点非线性空间梁单元Beml89，屋面檩条采用Be∞饵4梁单元，屋面吲钢支撑与柱间方钢支撑离散化为空间铰接两节点杆元Linkl0；2)屋面檩条与刚架粱柱连接采用铰接，设置了隅撑的檩条和墙粱与刚架粱柱连接假设为刚接，刚架梁柱采用刚接，圆钢支撑和方钢支撑与结构连接采用铰接，柱脚节点采用铰接；3)粱柱及其它钢结构构件材料本构关系均采用图3所示的实际钢材弹塑性关系；4)所有结构单元均采用三维空间杆系单元，结构模型为整体三维空间模型；5)不考虑压型彩钢板的蒙皮效应；6)忽略板件的局部屈曲和残余应力的影响。ANSYS分析时，通过发出NLGEOM．0N来激活大应变效应，以此来考虑结构几何非线性的影响；在前处理中用uPGEOM命令来旌加初始几何缺陷。I(“)图3试件的应力一应变曲线四、结果分析’．‘为了分析结构的几何非线性对整体热轧H型钢门式刚架结构的影响程度．采用ANsYs计算了不考虑几何非线性和考虑几何非线性这两种情况的弹塑性分析。计算得到结构承受的极限承载力，见表3。表3整体热轧H型钢门式刚架的结构极限承载力由表中数据可得出以下结论：1)算例的ANsYs计算结果可以表明，在风荷载与恒荷载活和荷载组合的第二荷载组合作用工况时，对几何非线性的敏感程度要比只有恒荷载和活荷载组合的第一荷载组合作用工况高出很多；2)整体热轧H型钢门式刚架结构在不考虑几何非线性影响分析得到的结构极限承载力明显要比考虑几何非线性影响分析得到的结构极限承载力大得多。所以，整体热轧H型钢门式刚架结构受几何非线性的影响程度耍比材料非线性的影响程度高出许多。对永久荷载和雪荷载荷载组合作用下的整体热轧H型钢门式刚架结构进行了弹塑性分析和二阶弹塑性分析等两个方面的分析进行对比分析。下面分析计算结果。ANsYS计算得到的门式刚架弹塑性分析与二阶弹塑性分析的变形图如图4所示。15酶工业建筑2007增刊埘却船埘瑚蛳蛳聃。 蔓主旦全望里垡丝塑王堡兰查堡堕叁—————————————一图4(a)弹塑性分析结构变形图图4(b)二阶弹塑性分析结构变形图在以上的弹塑性分析变形图与二阶弹塑性分析变形图可以看到．前者ANsYs分析时结构的节点位置始终不改变，后者ANsys分析时结构的节点位置随计算在不断改变-ANsYs计算得到的门式刚架柱项节点A、B的荷载一侧移曲线图和跨度中央节点D、E的荷载一挠度曲线图如图5、图6所示。L柚hL舯暴L"柱L∞“"●．％_融目辑柱■学骘《、_—一——一J一；_一”么一——，一J|l一，I■性舟新讨^直■，，一鼻I性丹釉直—，J，一=瓣■性身●i^童■暮l一二■■■性分I铀廖砷譬}{“·“。“。“。“。“。“’“。“。嚣x(等‘图5柱顶节点A、B的荷载一侧移曲线囤J—J—一．∥彳二—，7——鼻厶——一，擘。●IA脚md奠1，r一■I佳舟锄d攮重≯—--，=鼻鼻I性舟I静蛐点矗寞，⋯-二时■l性舟斩时E点触J一J≠，“●●^OlO“●l●“●●O“●I∞．●●鲰O●■L●●岫·●‘●“●啪·●-●“●挠度yt衄)’图6跨度中央节点D、E的荷载一挠度曲线图，对门式刚架柱顶节点荷载．侧移图、跨度中央节点荷载一挠度图以及ANsYs分析的应乒图分析可得出工业建筑20们增刊1569Ⅲ埔¨Ⅶ憎㈣¨Ⅶ垤¨恤慵¨¨ 第七届全国现代结构工程学术研讨会以下结论：1)当荷载因子从0增加到l，O(结构承受设计荷载值时的荷载因子设为1．0)的范围内，门式刚架的弹塑性分析与二阶弹塑性分析得到的柱顶节点的侧移与跨度中央节点的挠度都随着荷载的增加而线性增大；2)荷载因子增加到1．O以后，门式刚架的弹塑性分析得到的柱顶节点的侧移与跨度中央节点的挠度不再随荷载的增加而线性变化，转为非线性曲线；3)弹塑性分析结果号二阶弹塑性分析结果在荷载因子为0．09左右时出现分歧，结构由于二阶效应的影响砷不能再继续承受荷裁；4)图5柱项节点A、B的荷载．位移曲线中出现类似振荡的原因是由于在结构塑性铰不断形成后．整体结构的受力体系不断变化引起的；5)结构在不考虑=阶效应的弹塑性分析，侧向方向中间节点A首先出现塑性铰，但在二阶弹塑性分析时是在侧向方向的节点B首先出现塑性铰；6)结构在不考虑二阶效应的弹塑性分析时确实是在产生了足够多的塑性铰后结构变成机构而破坏，但在考虑二阶弹塑性分析时是由于结构侧移太大而不能再继续承受荷载。从而达到承载能力的极限。五、结论热轧H型钢门式刚架整体结构受几何非线性的影响程度要比材料非线性的影响程度大许多，几何非线性因素常常成为结构设计时的主要考虑因素。热轧H型锶门式刚架整体结构在不考患几何非线性影响分析得到的结构极限承载力明最要比考虑几何非线性影响分析得到的结构极限承载力大很多。门式刚架的弹塑性分析与二阶弹塑性分析当荷载因子从0增加到1．O的范围内，柱顶节点的侧移与跨度中央节点的挠度都随着荷载的增加而线性增大：-荷载因子增加到l，O以后，柱顶节点的侧移与跨度中央节点的挠度不再随荷载的增加而线性变化，转为非线性曲线；弹塑性分析结果与二阶弹塑性分析结果在荷载因子为009左右时出现分歧。门式刚架结构在不考虑二阶效应的弹塑性分析时确实是在产生了许多塑性铰后结构变成结构而破坏，但在考虑二阶弹塑性分析时的极限承载能力是由于结构侧移太大而不能再继续承受荷载决定的。参考文献【ll周奎高层建筑钢框架结构几何、材料非线性分析【D1．东南大学博士论文200l【2】cEcs102：2002』丁式刚架轻型房屋钢鳍构技术规程【s】．北京：中国计划出版社．2003【3】夏志斌瑚6谏编著．钢结构一原理与设计【M】．北京：中国建筑工业出版社20041S70