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1、Front.Archit.Giv.Eng.China2008,2(3):189-196DOI10.1007/sI1709-008-0024-8建筑钢结构设计的先进分析陈威发夏威夷大学土木工程系，美国夏威夷96822摘要：对设计者，钢结构建筑2005LRFD规范使得在弹性和塑性范围内之行为与最高负荷极限状态下认明确的结构抵抗成为可能。有一种提高实际次级分析的方法,来直接测定整体结构的系统响应。本文尝试用一个简单的、简洁的、合理的综合理解来介绍一些理论和实践方法，这些方法已经在传统的、现代的工艺设计的钢结构建筑结构当中应用。关键词：先进的分析、钢结构建筑设计、介绍1前
2、言结构设计的目的是为了产生一种物质结构能够承受的环境条件。整个设计过程中,从装载的基础上到尺寸都存在风险和费用,但基本上最终的设计是结构材料的性能和结构构件的几何缺陷的一个反应,特别是在构件生产和加工中诱发的其力学性能及残余应力,它定义了材料与构件在环境动力下的特征响应。目前,在工程设计实践中,有一个基本两个阶段过程的设计操作。首先,结构的每个结构构件上作用的力必须要计算出来；其次，那些有力作用在上面的每一个结构构件的承载力必须要确定。第一阶段包括分析作用在这些结构构件上的力和弯矩的分布；第二阶段,包括对这些构件的承载能力的认识，来抵抗作用在它们上边的力和弯矩。越
3、全面的理解这些知识，设计就会更加精确，结构会更加可靠。因为构件的承载能力取决于作用在构件上的荷载类型、几何缺陷、性质、材料和残余应力的性能，对构件的承载能力的理解,大多数是根据以轴向受力构件的端柱的强度曲线,受弯构件简支梁弯曲强度曲线,构件受到轴力和弯矩相互作用下的梁柱影响曲线的形式的满载实验决定的。这些构件的强度曲线正式的被编成构件强度曲线或者方程用于实际设计。将框架结构构件分成三种类型,即柱、梁和梁柱。它们各自的强度,通过理想节点或边界条件下的满载实验确定,下一阶段必须彻底简化在应力下的材料特性,以这样的方式来很容易的协助工程师分析应力分布,以估量框架结构中的
4、结构构件。实际上工程师主要基于材料线性弹性条件下的简单模型设计的，因为那些早期的设计基于容许应力法。在这个过程中,材料的时间有关的影响假定是无关紧要。这确实是在长期的行为下很大的简化了材料性能。所以这一次独立的简化,现在设计过程集中体现在降低应力水平或者结构上作用工作荷载时的水平。这个大的安全系数是用来调整设计时考虑非弹性特性来避免失败。在实际工程中大多数的结构分析基于线弹性分析。一阶线性弹性分析在早期已经被结构工程师完全证明,而一个结构体系的二阶线性弹性分析已经在发展并在近些年来被逐渐的利用。2缩放因子下的一阶弹性结构分析在一个框架框架结构中的杆件的边界条件和一
5、个单独杆件的边界条件是很不同的,它作为柱端强度曲线(铰接端条件)或梁强度曲线的条件(如简支梁端点条件)发展的根据。为了估算框架构件,构件的边界条件必须调整到相等的端节点条件来进行柱的设计,比如,柱的强度曲线,可以刚好用于确定框架构件必须的尺寸(见图1)。为实现这一等效,有效长度系数或缩放因子已经被广泛的应用在过去的与引脚端柱强度曲线相关的一个结构体系的框架构件的设计中。有效长度的方法提供了一个良好的框架结构的设计方法。该方法已被广泛应用于现代钢结构设计规范,包括在早年的容许应力设计和塑性设计，和在最近数年的负荷和阻力系数的设计[1]。然而,尽管它很普及,但是有几个
6、主要的局限性和缺点。图1、结构体系之间相互作用的影响及其组成构件首先它不会给一个准确的对失败因子的估计,因为它不能够用正确的方法考虑结构体系、构件两者之间的强度和稳定性的相互作用的影响。这是一个公认的事实,结构体系的实际的失效模的往往没有任何的相似，无论是根据有效长度系数K确定的结构体系的弹性屈曲模式。第二,也许是最严重的限制,可能是当前两阶段阶段设计过程的基本原理：弹性分析是用于确定一个结构体系的每个构件上作用的荷载的分布,而构件的极限强度曲线被开用于设计是基于满布荷载或非弹性分析且每个构件被看成单独的组件[3，2]。没有验证框架一部分的独立的构件与构件之间的兼
7、容性。个别构件的强度方程中规定的规格不关心系统的兼容。因此,尚无明确的保证，所有构件将维持他们在设计荷载作用下的几何形态。有效长度的计算方法的另一个局限,包括用电脑计算系数K有困难,没有好的电脑设计依据并且没有方法预测一个框架构件的实际强度。为了达到这一目的,人们越来越趋向需要实际的设计/分析方法,该设计方法能够说明体系和构件之间的兼容性。通过迅速发展的计算能力、有效性的台式电脑和有用的软件,一种替代的方法来进行直接的结构体系的设计而不使用系数K的发展变得更有吸引力,也具有现实意义。3缩放因子下的二阶弹结构分析采用弹性结构分析和缩放因子的钢结构设计可分为两个阶段。
8、在设计过程
