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剛架結構設計論文范文1
目前鋼筋混凝土排架結構在設計分析方面仍面臨很多挑戰，為能解決這些可能遇到的問題，很多學者對鋼筋混凝土排架結構設計上做了研究。在唐山大地震中，大多數以鋼筋混凝土排架結構為主的工業廠房結構柱破壞，造成很大的損失和傷亡，此后，我國學者鋼筋混凝土排架結構開始進行深入的分析與研究。研究的內容如下:地震局工程力學研究所對排架結構進行了有機玻璃模型的具體分析;李樹禎等采用彈塑動力時程分析方法對橫向單棍的排架結構進行分析，認為鋼筋混凝土排架結構用普通的設計方法可滿足抗震的基本要求，但從概率角度出發，其可靠度相對較低，地震作用下部分構件可能超過強度而嚴重破壞，“強柱弱梁”整體廠房還做不到;西安建筑科技大學共同對變柱變梁異型平面節點、鋼筋混凝土框排架結構柱和帶直交梁空間節點進行了大量的試驗研究，研究結果表明:提出了長柱、短柱、普通混凝土柱以及異型節點承載力在高強混凝土上的計算公式，為改善節點區的配筋及高強混凝土在工程中應用提供了理論依據;目前彈性扭轉效應的研究已趨于成熟，各國的規范對結構的彈性扭轉效應都有各自的計算方法。對于結構進入塑性扭轉，由于塑性扭轉效應涉及到對整體結構的空間彈塑性分析的問題，其在這一領域問題較為明顯，為鋼筋混凝土排架等結構工程領域研究的熱點問題。從總體上講，在鋼筋混凝土排架結構設計及理論方面，通過理論研究分析取得了許多有益的結論。但目前排架結構的研究重點仍處于對平面和彈性階段的研究和分析，目的是能將空間計算問題盡量簡化為平面的簡單問題計算。由于鋼筋混凝土排架結構的自身復雜性、專業性和特殊性，當前仍然有很多問題有待解決，如:塑性扭轉效應和非線性分析問題;當前抗震性能的試驗在鋼筋混凝土排架整體結構領域進行較少，在排架結構的設計中，抗震設防的理論有待進一步完善;在排架結構處于塑性區后，其抗震能力發生變化，這一現象在結構扭轉效應表現突出;此外，對排架與框架相互結合剪力墻結構的研究涉及較少，對框排架的工作性能及受力特點有待進一步的更多的研究和分析;鋼筋混凝土框排架結構中框架與排架的協同工作受力情況較為模糊。
2我國目前規范對鋼筋混凝土排架設計的不足
在鋼筋混凝土排架結構的抗震設計方面，GB50191—2012構筑抗震設計規范和GB50011—2010建筑抗震設計規范指導規范不同地域、不同排架結構的抗震設計。本文結合《構筑抗震設計規范》的具體條文，闡述了目前規范中鋼筋混凝土排架結構中設計的不足和缺陷。有關排架結構上部屋架結構計算的規定有:
1)《構筑抗震設計規范》6．2．19條規定，針對Ⅲ，Ⅳ類場地和8度、9度時，應該考慮屋架下弦的拉壓效應對結構的影響并核算屋架承載力;
2)《構筑抗震設計規范》6．2．22條規定，針對Ⅲ，Ⅳ類場地和8度、9度時，應驗算變形產生的附加內力。上述兩點敘述，規范使用“應”字，因此應考慮建立合適的屋架和支撐的桿系模型，否則無法得出上述內力值。在鋼結構排架設計方面，鋼排架結構施工進度快，造價低，但以后要經常維護保養?？蚣芙Y構施工復雜，造價高，后期維護工作量低。在工程建設中，鋼架也就是在排架柱方向通過設置聯系梁或桁架的方式使排架柱方向形成可以抵抗縱向力下變形的鋼框架(局部開間或連續開間)，具體做法可采用實腹聯系梁或格構桁架———根據可設置高度選用，采用門式柱間支撐，可以留出工藝空間，還能對柱平面外予以加強。但我國處于高度使用水泥的情況，環境污染日益嚴重，從節能減排方面講，鋼排架結構應作為首選，但規范未給具體說明。
3結語
剛架結構設計論文范文2
關鍵詞：輕鋼結構，安裝，預防
輕鋼結構即輕型鋼結構建筑體系，是以熱軋輕型H 鋼、輕型焊接型鋼、高頻焊接型鋼、冷彎薄壁型鋼、薄鋼板和薄壁鋼管等高效能結構鋼材和高效功能材料為主，以各類高效裝飾連接材料為輔組裝而成，能滿足建筑特定使用功能和特定空間需求的輕型全裝配鋼結構建筑。輕鋼結構是一種年輕而極具生命力的鋼結構體系，已廣泛應用于一般工農業、商業、服務性建筑，如辦公樓、別墅、倉庫、體育場館、娛樂、旅游建筑和低、多層住宅建筑等領域，還可用于舊房增層、改造、加固和建材缺乏地區、運輸不便地區、工期緊、活動式可拆遷建筑等，倍受業主青睞，主要有以下特點：①采用高效輕型薄壁型材，自重輕、強度高、占用面積小。②構配件均為自動化、連續化、高精度生產，產品規格系列化、定型化、配套化。各部分尺寸精確。③結構設計、詳圖設計、計算機模擬安裝、工廠制造、工地安裝等以較小時間差同步進行。④基礎以上干式工法沒有濕作業，內裝飾等易于一次到位。型材經過鍍鋅、涂層后外觀優美且防腐，有利于減少圍護和裝修費用。論文大全。⑤便于擴大柱距和提供更大分隔空間，可降低層高和增加建筑面積（住宅實用面積可達92%）。在增層、改造、加固方面優勢明顯。⑥新墻材應用范圍廣，大量使用采光帶，通風條件好。⑦室內水暖電氣管線全部隱蔽在墻體中和樓層間，布置靈活，修改方便。⑧房子可以搬遷、材料可全部回收利用，不會造成垃圾，符合可持續發展戰略。由于鋼結構本身具備自重輕、強度高、施工快等獨特優點，因此對高層、大跨度，尤其是超高層、超大跨度，采用鋼結構更是非常理想。輕型金屬板材及其配套的門式剛架等系列輕型鋼結構已得到了較為廣泛的應用。下面簡單談一談輕型鋼結構工程中常見的一些質量問題及預防措施。
1.柱腳的制作安裝
1.1預埋地腳螺栓與砼短柱邊距離過近。在剛架吊裝時，經常不可避免的會人為產生一些側向外力，而將柱頂部砼拉碎或拉崩。在預埋螺栓時，鋼柱側邊螺栓不能過于靠邊，應與柱邊留有足夠的距離。同時，砼短柱要保證達到設計強度后，方可組織剛架的吊裝工作。
1.2往往容易遺忘抗剪槽的留設和抗剪件的設置。柱腳錨栓按承受拉力設計，計算時不考慮錨栓承受水平力。若未設置抗剪件，所有由側向風荷載、水平地震荷載、吊車水平荷載等產生的柱底剪力，幾乎都有柱腳錨栓承擔，從而破壞柱腳錨栓。
1.3柱腳底板與砼柱間空隙過小，使得灌漿料難以填入或填實。一般二次灌料空隙為50mm。
1.4有些工程地腳螺栓位置不準確，為了方便剛架吊裝就位，在現場對底板進行二次打孔，任意切割，造成柱腳底板開孔過大，使得柱腳固定不牢，錨栓最小邊（端）距亦不能滿足規范要求。
2.梁、柱連接與安裝
2.1多跨門式剛架中柱按搖擺柱設計，而實際工程卻把中柱與斜梁焊死，致使實際構造與設計計算簡圖不符，造成工程事故。所以，安裝要嚴格按照設計圖紙施作。
2.2翼緣板與加厚或加寬連接板對接焊縫時，未按要求做成傾斜度的過渡。對接焊縫連接處，若焊件的寬度或厚度不同，且在同一側相差4mm 以上者，應分別在寬度或厚度方向從一側或兩側做成坡度不大于1：2.5（1：4）的斜角。
2.3端板連接面制作粗燥，切割不平整，或與梁柱翼緣板焊接時控制不當，使端板翹曲變形，造成端板間接觸面不吻合，連接螺栓不得力，從而滿足不了該節點抗彎受拉、抗剪等結構性能。
2.4剛架梁柱拼接時，把翼緣板和腹板的拼接接頭放在同一截面上，造成工程隱患。拼接接頭時，翼緣板和腹板的接頭一定要按規定錯開。
2.5剛架梁柱構件受集中荷載處未設置對應的加勁肋，容易造成結構構件局部受壓失穩。
2.6連接高強螺栓不符合《鋼結構用扭剪型高強度螺栓連接的技術條件》或《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角頭螺母、墊圈型式尺寸與技術條件》的相關規定。高強螺栓擰緊分初擰、終擰，對大型節點還應增加復擰。擰緊應在同一天完成，切勿遺忘終擰。一定要在結構安裝完成后，對所有的連接螺栓應逐一檢查，以防漏擰或松動。
2.7有些工程中高強螺栓連接面未按設計圖紙要求進行處理，使得抗滑移系數不能滿足該節點處抗剪要求。必須按照設計要求的連接面抗滑移系數去處理。
2.8有的工程缺乏有針對性的吊裝方案，吊裝剛架時，未采用臨時措施保證剛架的側向穩定，造成剛架安裝倒塌事故。應先安裝靠近山墻的有柱間支撐的兩榀剛架，而后安裝其他剛架。頭兩榀剛架安裝完畢后，應在兩榀剛架間將水平系桿，檁條及柱間支撐，屋面水平支撐，隅撐全部裝好，安裝完成后應利用柱間支撐及屋面水平支撐調整構件的垂直度及水平度，待調整正確后方可鎖定支撐，而后安裝其他剛架。
3.檁條、支撐等構件的制作安裝
3.1為了安裝方便，隨意增大、加長檁條或檁托板的螺栓孔徑。檁條不僅僅是支撐屋面板或懸掛墻面板的構件，而且也是剛架梁柱隅撐設置的支撐體，設置一定數量的隅撐可減少剛架平面外的計算長度，有效的保證了剛架的平面外整體穩定性。若檁條或檁托板孔徑過大過長，隅撐就失去了應有的作用。
3.2隅撐角鋼與鋼梁的腹板直接連接，當剛架受側向力時，使腹板在該處局部受到側向水平力作用，容易導致鋼梁局部側向失穩。
3.3有的工程所用檁條僅用電鍍，造成工程尚未完工，檁條早已生銹。論文大全。檁條宜采用熱鍍鋅帶鋼壓制而成的檁條，且保證一定的鍍鋅量。論文大全。
3.4因墻面開設門洞，擅自將柱間垂直支撐一端或兩端移位。同一區隔的柱間支撐、屋面水平支撐與剛架形成縱向穩定體系，若隨意移動其位置將會破壞其穩定體系。
3.5有些單位為了節省鋼材和人工，將檁條和墻梁用鋼板支托的側向加勁肋取消，這將影響檁條的抗扭剛度和墻梁受力的可靠性。故施工單位不得任意取消設計圖紙的一些做法。
3.6有的單位擅自增加屋面荷載，原設計未考慮吊頂或設備管道等懸掛荷載，而施工中卻任意增加吊頂等懸掛荷載，從而導致鋼梁撓度過大或坍塌。任何單位均不得擅自增加設計范圍以外的荷載。
3.7屋面板未按要求設置，將固定式改為浮動式，使檁條側向失穩。往往設計檁條時，會考慮屋面壓型鋼板與冷彎型鋼檁條牢固連接，能可靠的阻止檁條側向失穩并起到整體蒙皮作用。
3.8剛性系桿、風拉桿的連接板設置位置高低不一，使得水平支撐體系不在同一平面上，從而影響剛架的整體穩定性。剛性系桿與風拉桿構成水平支撐體系，其設置高度在同一坡度方向應保持一致。
4.結論
目前，我國鋼結構住宅產業已進入一個新的發展階段，有關規范和標準已經出臺，國內鋼材產量充足，有了一批鋼結構住宅試點與示范的建設經驗和科技成果，鋼結構住宅的發展已具備了較好的物質和技術基礎。當然，在鋼結構住宅發展方面，還有一些技術問題有待解決。鋼結構住宅的推廣還需要做大量的工作，完善不同類型結構設計規范和施工技術標準，研制新型的輕質保溫墻體材料以及與住宅部品的配套問題，同時還要廣泛宣傳開發輕鋼住宅的益處，讓更多的開發商、設計師和用戶認識了解鋼結構住宅的優點。
參考文獻
[1]劉玉株.鋼結構住宅技術問題討論.建筑創作，2003，2.
[2]陳祿如等.攻克關鍵技術推動鋼結構住宅發展.建設科技，2003,12.
剛架結構設計論文范文3
論文摘要：輕型金屬板材及其配套的門式剛架等系列輕型鋼結構已得到了較為廣泛的應用，加強鋼結構專業隊伍素質的提高，已成為一項緊迫的任務。
由于鋼結構本身具備自重輕、強度高、施工快等獨特優點，因此對高層、大跨度，尤其是超高層、超大跨度，采用鋼結構更是非常理想。輕型金屬板材及其配套的門式剛架等系列輕型鋼結構已得到了較為廣泛的應用。下面簡單談一談輕型鋼結構工程中常見的一些質量問題及預防措施。
1 柱腳的制作安裝
1.1 預埋地腳螺栓與砼短柱邊距離過近。在剛架吊裝時，經常不可避免的會人為產生一些側向外力，而將柱頂部砼拉碎或拉崩。在預埋螺栓時，鋼柱側邊螺栓不能過于靠邊，應與柱邊留有足夠的距離。同時，砼短柱要保證達到設計強度后，方可組織剛架的吊裝工作。
1.2 往往容易遺忘抗剪槽的留設和抗剪件的設置。柱腳錨栓按承受拉力設計，計算時不考慮錨栓承受水平力。若未設置抗剪件，所有由側向風荷載、水平地震荷載、吊車水平荷載等產生的柱底剪力，幾乎都有柱腳錨栓承擔，從而破壞柱腳錨栓。
1.3 柱腳底板與砼柱間空隙過小，使得灌漿料難以填入或填實。一般二次灌料空隙為50mm。
1.4 有些工程地腳螺栓位置不準確，為了方便剛架吊裝就位，在現場對底板進行二次打孔，任意切割，造成柱腳底板開孔過大，使得柱腳固定不牢，錨栓最小邊（端）距亦不能滿足規范要求。
2 梁、柱連接與安裝
2.1 多跨門式剛架中柱按搖擺柱設計，而實際工程卻把中柱與斜梁焊死，致使實際構造與設計計算簡圖不符，造成工程事故。所以，安裝要嚴格按照設計圖紙施作；
2.2 翼緣板與加厚或加寬連接板對接焊縫時，未按要求做成傾斜度的過渡。對接焊縫連接處，若焊件的寬度或厚度不同，且在同一側相差4mm以上者，應分別在寬度或厚度方向從一側或兩側做成坡度不大于1：2.5（1：4）的斜角。
2.3 端板連接面制作粗燥，切割不平整，或與梁柱翼緣板焊接時控制不當，使端板翹曲變形，造成端板間接觸面不吻合，連接螺栓不得力，從而滿足不了該節點抗彎受拉、抗剪等結構性能。
2.4 剛架梁柱拼接時，把翼緣板和腹板的拼接接頭放在同一截面上，造成工程隱患。拼接接頭時，翼緣板和腹板的接頭一定要按規定錯開。
2.5 剛架梁柱構件受集中荷載處未設置對應的加勁肋，容易造成結構構件局部受壓失穩。
2.6 連接高強螺栓不符合《鋼結構用扭剪型高強度螺栓連接的技術條件》或《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角頭螺母、墊圈型式尺寸與技術條件》的相關規定。高強螺栓擰緊分初擰、終擰，對大型節點還應增加復擰。擰緊應在同一天完成，切勿遺忘終擰。一定要在結構安裝完成后，對所有的連接螺栓應逐一檢查，以防漏擰或松動。
2.7 有些工程中高強螺栓連接面未按設計圖紙要求進行處理，使得抗滑移系數不能滿足該節點處抗剪要求。必須按照設計要求的連接面抗滑移系數去處理。
2.8 有的工程缺乏有針對性的吊裝方案，吊裝剛架時，未采用臨時措施保證剛架的側向穩定，造成剛架安裝倒塌事故。應先安裝靠近山墻的有柱間支撐的兩榀剛架，而后安裝其他剛架。頭兩榀剛架安裝完畢后，應在兩榀剛架間將水平系桿，檁條及柱間支撐，屋面水平支撐，隅撐全部裝好，安裝完成后應利用柱間支撐及屋面水平支撐調整構件的垂直度及水平度，待調整正確后方可鎖定支撐，而后安裝其他剛架。
3 檁條、支撐等構件的制作安裝
3.1 為了安裝方便，隨意增大、加長檁條或檁托板的螺栓孔徑。檁條不僅僅是支撐屋面板或懸掛墻面板的構件，而且也是剛架梁柱隅撐設置的支撐體，設置一定數量的隅撐可減少剛架平面外的計算長度，有效的保證了剛架的平面外整體穩定性。若檁條或檁托板孔徑過大過長，隅撐就失去了應有的作用。
3.2 隅撐角鋼與鋼梁的腹板直接連接，當剛架受側向力時，使腹板在該處局部受到側向水平力作用，容易導致鋼梁局部側向失穩。
3.3 有的工程所用檁條僅用電鍍，造成工程尚未完工，檁條早已生銹。檁條宜采用熱鍍鋅帶鋼壓制而成的檁條，且保證一定的鍍鋅量。
3.4 因墻面開設門洞，擅自將柱間垂直支撐一端或兩端移位。同一區隔的柱間支撐、屋面水平支撐與剛架形成縱向穩定體系，若隨意移動其位置將會破壞其穩定體系。
3.5 有些單位為了節省鋼材和人工，將檁條和墻梁用鋼板支托的側向加勁肋取消，這將影響檁條的抗扭剛度和墻梁受力的可靠性。故施工單位不得任意取消設計圖紙的一些做法。
3.6 有的單位擅自增加屋面荷載，原設計未考慮吊頂或設備管道等懸掛荷載，而施工中卻任意增加吊頂等懸掛荷載，從而導致鋼梁撓度過大或坍塌。任何單位均不得擅自增加設計范圍以外的荷載。
3.7 屋面板未按要求設置，將固定式改為浮動式，使檁條側向失穩。往往設計檁條時，會考慮屋面壓型鋼板與冷彎型鋼檁條牢固連接，能可靠的阻止檁條側向失穩并起到整體蒙皮作用。
3.8 剛性系桿、風拉桿的連接板設置位置高低不一，使得水平支撐體系不在同一平面上，從而影響剛架的整體穩定性。剛性系桿與風拉桿構成水平支撐體系，其設置高度在同一坡度方向應保持一致。
目前，我國鋼結構住宅產業已進入一個新的發展階段，有關規范和標準已經出臺，國內鋼材產量充足，有了一批鋼結構住宅試點與示范的建設經驗和科技成果，鋼結構住宅的發展已具備了較好的物質和技術基礎。當然，在鋼結構住宅發展方面，還有一些技術問題有待解決。鋼結構住宅的推廣還需要做大量的工作，完善不同類型結構設計規范和施工技術標準，研制新型的輕質保溫墻體材料以及與住宅部品的配套問題，同時還要廣泛宣傳開發輕鋼住宅的益處，讓更多的開發商、設計師和用戶認識了解鋼結構住宅的優點。
參考文獻
剛架結構設計論文范文4
關鍵詞：輕型門式剛架結構；設計；計算
中圖分類號：S611文獻標識碼： A
0前言
單層輕型門式剛架結構是指以輕型焊接H形鋼（等截面 或變截面）、熱軋H形鋼（等截面）或冷彎薄壁型鋼等構成的 實腹式門式剛架或格構式門式剛架作為主要承重骨架,用冷彎 薄壁型鋼（槽形、Z形等）做檁條、墻梁;以壓型金屬板（壓型鋼 板、壓型鋁板）做屋面、墻面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬質聚氨 酯泡沫塑料以及巖棉、礦棉、玻璃棉等作為保溫隔熱材料,并適 當設置支撐的一種輕型房屋結構體系。
在目前的工程實踐中，門式剛架的梁、柱多采用焊接H形 變截面構件,單跨剛架的梁柱節點采用剛接，多跨者大多采用 剛接和鉸接并用；柱腳可與基礎剛接或鉸接；圍護結構多采用 壓型鋼板；保溫隔熱材料多采用玻璃棉。
1單層輕型門式剛架結構的特點和設計中的注意事項
1.1單層輕型門式剛架結構的特點
1.1.1質量輕
圍護結構采用壓型金屬板、玻璃棉及冷彎薄壁型鋼等材料 組成,屋面、墻面的質量都很輕。根據國內工程實例統計,單層輕 型門式剛架房屋承重結構的用鋼量一般為10kg/m2~30kg/m2,在 相同跨度和荷載情況下自重僅約為鋼筋混凝土結構的 1/20-1/30。由于結構質量輕,相應地基礎可以做得較小,地基處 理費用也較低。同時在相同地震烈度下結構的地震反應小,但 當風荷載較大或房屋較高時,風荷載可能成為單層輕型門式剛 架結構的控制荷載。
1.1.2工業化程度高,施工周期短
門式剛架結構的主要構件和配件多為工廠制作,質量易于 保證,工地安裝方便；除基礎施工外,基本沒有濕作業；構件之 間的連接多采用高強度媒栓連接,安裝迅速。
1.1.3綜合經濟效益高
門式剛架結構通常采用計箅機輔助設計，設計周期短；原 材料種類單一；構件采用先進自動化設備制造;運輸方便等。所 以,門式剛架結構的工程周期短,資金回報快,投資效益相對較 高。
1.1.4柱網布置比較靈活
門式剛架結構的圍護體系采用金屬壓型板,所以柱網布置 不受模數限制,柱距大小主要根據使用要求和用鋼量最省的原
則來確定。
1.2設計中的注意事項
①由于門式剛架結構構件的抗彎剛度、抗扭剛度較小，結 構的整體剛度較弱,因此設計時應考慮運輸和安裝過程中要采 取的必要措施,以防止構件發生彎曲和扭轉變形。
②要重視支撐體系和隅撐的布置,重視屋面板、墻面板與 構件的連接構造，使其能參與結構的整體工作。
③組成構件的桿件較薄,設計中應考慮對制作、安裝、運輸 的要求。
_計中應充分考慮銹蝕對結構構件截面削弱的影響。
⑤門式剛架的梁柱多采用變截面桿件,梁柱腹板在設計時 考慮利用屈曲后的強度,所以塑性設計不再適用。
⑥設計中對輕型化帶來的后果必須注意和正確處理,例如 風力可使輕型屋面的荷載反向等。
2結構形式和結構布置
2.1結構形式
門式剛架的結構形式按跨度可分為單跨、雙跨和多跨,按 屋面坡脊數可分為單脊單坡、單脊雙坡、多脊多坡。屋面坡度宜 取1/20~1/8。單脊雙坡多跨剛架，用于無橋式吊車的房屋時,當 剛架柱不是特別髙且風荷載也不是很大時,依據“材料集中使 用的原則”，中柱宜采用兩端鉸接的搖擺柱方案。門式剛架的柱 腳多按鉸接設計,當用于工業廠房且有橋式吊車時,宜將柱腳 設計成剛接。門式剛架上可設置起重量不大于3t的懸掛吊車和 起重量不大于20t的輕、中級工作制的單梁或雙梁橋式吊車。 2.2結構布置
2.2.1剛架的建筑尺寸和布置
門式剛架的跨度宜為9m~36m,髙度應根據使用要求的室 內凈高確定,宜取4.5m~9m。門式剛架的合理間距應綜合考慮 剛架跨度、荷載條件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、 9m。一般縱向溫度區段小于300m,橫向小于150m。 2.2.2檁條和墻梁的布置
檁條間距的確定應綜合考慮天窗、通風屋脊、采光帶、屋面 材料、檁條規格等因素按計算確定,一般應等間距布置,但在屋 脊處應沿屋脊兩側各布置一道，在天溝附近布置一道。側墻墻 梁的布置應考慮門窗、挑檐、雨蓬等構件的設置和圍護材料的 要求確定。
2.2.3支撐和剛性系桿的布置
①在每個溫度區段或分期建設的區段中，應分別設置能獨 立構成空間穩定結構的支撐體系。在設置柱間支撐的開間，應 同時設置屋蓋橫向支撐，以構成幾何不變體系。
②端部支撐宜設在溫度區段端部的第一或第二個開間。柱 間支撐的間距應根據房屋縱向受力情況及安裝條件確定,一般 取30m~45m。當房屋高度較大時,柱間支撐應分層設置;當房屋 寬度大于60m時,內柱列宜適當設置支撐。當端部支撐設在端 部第二個開間時,在第一個開間的相應位置應設置剛性系桿。
③在剛架的轉折處（邊柱柱頂、屋脊及多跨剛架的中柱柱. 頂）應沿房屋全長設置剛性系桿。
④由支撐斜桿等組成的水平桁架,其直腹桿宜按剛性系桿 考慮。剛性系桿可由檁條兼做,此時檁條應滿足壓彎構件的承 載力和剛度要求，當不滿足時可在剛架斜梁間設置鋼管、H型 鋼或其他截面形式的桿件。
⑤當房屋內設有不小于5t的吊車時，柱間支撐宜用型鋼； 當房屋中不允許設置柱間支撐時,應設置縱向剛架。
2007 No.5
3剛架設計
3.1荷載及荷載組合
3.1.1永久荷載
永久荷載包括結構構件的自重和懸掛在結構上的非結構 構件的重力荷載,如屋面、檁條、支撐、吊頂、墻面構件和剛架自
重壽。
3.1.2可變荷載
可變荷載包括屋面活荷載（設計屋面板和檁條時應考慮施 工和檢修集中荷載，其標準值為lkN)、屋面雪荷載和積灰荷 載、吊車荷載、地震作用、風荷載等。 3.2.1內力計算
對于變截面門式剛架，應采用彈性分析方法確定各種內 力，只有當剛架的梁、柱全部為等截面時才允許采用塑性分析 方法。變截面門式剛架的內力通常采用桿系單元的有限元法 (直接剛度法）編制程序上機計算。地震作用的效應可采用底 部剪力法分析確定。
根據不同荷載組合下的內力分析結果，找出控制截面的內 力組合,控制截面的位置一般在柱底、柱頂、柱牛腿連接處及梁 端、梁跨中等截面處。 3.2.2側移計算
變截面門式剛架的柱頂側移應采用彈性分析方法確定,計 算時荷載取標準值,不考慮荷載分項系數。如果最后驗算時剛 架的側移剛度不滿足要求，需采用下列措施之一進行調整•.放 大柱或（和）梁的截面尺寸,改鉸接柱腳為剛接柱腳；把多跨框 架中的個別搖擺柱改為上端和梁剛接。 3.3剛架柱和梁的設計
①梁柱板件的寬厚比限值和腹板屈曲后的強度利用，主要 包括梁柱板件的寬厚比限值驗算、腹板屈曲后強度利用驗算、 腹板的有效寬度驗算等內容。
②剛架梁柱構件的強度驗算。
③梁腹板加勁肋的配置,梁腹板應在中柱連接處、較大固 定集中荷載作用處和翼緣轉折處設置橫向加勁肋。
④變截面柱在剛架平面內的計算長度確定,平面內的整體 穩定計算，平面外的整體穩定計算。
⑤斜梁和隅撐的強度和穩定性計算。
⑥節點設計,包括斜梁與柱的連接及斜梁拼接、柱腳設計、 牛腿設計、搖擺柱與斜梁的連接構造等內容。
4小結
綜上所述,輕型門式剛架結構設計應遵守以下原則：
①保證結構的整體性，門式剛架屬于平面結構,它們在縱 向構件、支撐和圍護結構的聯系下形成空間的穩定體系,結構 只有組成空間穩定整體，才能承擔各種荷載和其他外在效應；
②明確各類外力從作用點到基礎的傳遞路徑和傳遞全過 程中產生的效應；
③設計必須體現計算和構造的一致性。
參考文獻
史三元,李進軍.輕型鋼結構廠房的結構體系設計[C].第十屆全 國結構工程學術會議論文集第III卷,2001 (10) :31-33.
錢永旺.淺談輕型鋼結構廠房設計的幾個問題[J].山西建筑,2008, 26 (12) :101-103.
剛架結構設計論文范文5
關鍵詞：既有建筑 加層改造抗震性能 計算模型
Existing buildings with light steel structure design and application
Abstract: layer for steel structure is now gradually spread of form of houses with layer and transformation, in such aspects as technology, economy and security than concrete structure has more obvious advantages.This paper introduces the research status and development of layer for steel structure,for the design and application of existing buildings with light steel structure puts forward my own view.
Key words:existing buildings Add layer building
seismic performancecalculation model
中圖分類號：TU352 文獻標識碼： A
既有建筑加層改造在我國的發展及應用
上世紀70年代我國的房屋加層改造技術迅速發展起來，全國各地都紛紛展開加層改造的實踐。既有建筑增層改造后既美觀大方、裝修考究，又風格新穎、立面錯落有致，具有時代感。在全國各地開展的房屋增層工程實踐中，出現了一批杰出的、有代表性的、建筑設計和結構設計獨具匠心的工程，其中部分加層工程統計見表 1.1，
表1.1部分加層工程實例
序號 工程名稱 原建筑 加層建筑
1 保定市電力學校綜合樓 4 層磚混 1層門式剛架結構
2 北京京西賓館 2 層框架 1層鋼框架
3 新鄉百貨大廈 4層 4層組合網架架
5 鄭州某大學食堂 2層框架 1層剛框架
6 保定電力學校學生宿舍樓 4 層磚混 1層門式剛架結構
7 華北電力學院教學樓 4 層磚混 1層門式剛架結構
8 北京城建集團總公司辦公樓 6層框架 增至12層
既有建筑輕鋼整層結構的優越性
鋼結構加層是目前逐步被推廣的一種房屋加固與改造形式，在技術、經濟以及安全性等方面較混凝土結構具有明顯的優點：
(1)鋼結構建筑采用先進的設計和加工工藝以及大規模的生產方式，所以可大大地降低造價。同時由于安裝簡單迅速而節省大量的施工費用，有效地縮短了工期。并使企業或開發商得以更快投產見效，有效地縮短了工期，
(2)鋼結構加層形式多樣，建筑內部空間寬敞，可以更好地滿足建筑上大開間、靈活分隔的要求，又可靈活布設各種工業管線，且可以保持原結構的布置不變，很好的與周圍環境相協調。
(3)采用鋼結構加層在施工期間不影響舊房屋的正常使用，避免了由于施工帶來的舊房屋的停止使用，造成的經濟損失。
(4)采用鋼結構加層不需要購置新地，很好地節約了土地面積，大量節省了征地費、拆遷費、減少住戶搬遷的安置費。
(5)抗震性能好相對于混凝土結構，鋼結構重量輕，且具有很好的延性，能夠很好地吸收地震能量，有效地減小了地震力，從而保證了房屋結構的安全。
(6)相對于混凝土結構施工而言，在施工過程中鋼結構建筑基本上沒有建筑垃圾產生，施工過程中噪音污染微小，對周邊居民的生活和工作基本上不產生影響。同時鋼結構建筑便于拆卸、回收，可實現重復利用等優點，這些都完全符合國家對建筑環保節能的要求及理念。
既有建筑輕鋼整層結構在我國的研究概況
隨著增層技術在我國房屋增層與改造中的應用，與之相關的技術問題的研究越來越受到工程界的普遍重視。先后成立了“中國老教授協會全國房屋加層改造技術研究委員會”和“中國工程建設標準化協會建筑物鑒定與加固技術標準委員會”等學術團體[1]，使加展改造工程的經驗交流、學術研究日益活躍。
目前我國針對混凝土結構上部加鋼結構的代表性研究成果有:
(1)袁文章,何小燕[2，3]以北京某醫院的住院樓加層為背景,對鋼筋混凝土結構上進行鋼結構加層的整體結構的計算方法進行了分析,推導出了整體結構等效阻尼比的公式,并在下部為14層的鋼筋混凝土結構,上部為一層鋼結構的實際工程中得到了很好的運用。
(2)呂鳳偉[4]分析了鋼筋混凝土框架結構和鋼結構連接節點。對比三類加層連接節點:錨栓生根加層節點,焊接生根加層節點,增大截面生根加層節點。通過擬靜力試驗和低周反復試驗，,提出了適用于混凝土框架結構體系的鋼框架加層的加層節點、抗震評估和設計方法。
(3)張 濤,王元清,石永久,麻建鎖[5]采用有限元軟件ANSYS,對某四層鋼筋混凝土框架結構辦公樓頂部加兩層純鋼框架的抗震性能進行反應譜分析。計算表明,由于加層后結構周期加長,整體框架的底層層剪力變化較小。而且加層設計的同時應進行抗震加固驗算,并結合實際工程的需要進行整體結構的耗能減震設計。
(4)王元清,宋 鋒,石永久,錢曉鍵[6]通過建立空間三維有限元模型分析了采用隔震技術的躍層加層框架的動力特性,并用時程分析法對隔震結構及其相應的非隔震結構進行了地震反應分析,得出：鉛芯橡膠隔震支座能夠明顯地減小結構的地震反應。橡膠隔震墊的水平剛度和阻尼對結構地震響應的影響較大。
我國輕鋼增層結構進一步研究的問題
建筑輕鋼結構增層在國內逐漸獲得廣泛的應用，顯示出很好的技術經濟效益和社會效益。但目前設計方法也不夠完善，對其進一步發展還存在一些問題，在房屋鋼結構加層技術的研究中主要表現在著如下關鍵問題：
國內外對鋼結構加層結5構的破壞機理、抗震性能、抗震薄弱環節等還缺乏深入的研究。對這種由混凝土結構和鋼結構所組成的混合結構的破壞機理、抗震性等都還缺乏深入的理論研究，僅靠一些相關行業標準，沒有一套統一的標準。
(2)由于鋼結構和混凝土結構兩種結構的阻尼比不同，在實際工程設計中阻尼比如何取，還缺乏一定的研究。不同的設計人員取值不同，取值比較混亂，沒有一個統一的規定。因此就這種混合結構的阻尼比如何取值還有待于深入研究。
(3)鋼結構加層后如何能保證混凝土結構和鋼結構協同工作也有待于更進一步研究。
為促進輕鋼增層結構進一步的發展，還需要加大對其研究的投入，采用鋼結構加層后整個混合結構的整體質量、剛度、周期、阻尼比等都發生較大的變化，應該對整個混合結構的整體抗震性能進行分析，最后總結出規律。
結論
在加層中要盡量減少對下部建筑物和地基的影響,鋼結構加層作為一項新型的加層技術越來越受到工程界的青睞。但目前我國對這種新型結構的工作性質、破壞機理等關鍵技術問題研究還不透徹，理論研究遠遠落后于工程應用，因此必須大力加大對其研究的投入。
參考文獻
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[2] 袁文章,何小燕.北京某醫院住院樓鋼結構增層設計[J].山西建筑,2008,34 ( 8):103～104
[3] 程河山.既有鋼筋混凝土框架頂部鋼結構加層體系受力分析[D].[碩士學位論文].鄭州:鄭 州大學,2009
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[5] 張 濤,王元清,石永久,麻建鎖.鋼筋混凝土框架頂部鋼結構加層的抗震性能反應譜分析[J].工程抗震與加固，2006,28(3)
剛架結構設計論文范文6
關鍵詞：塑性鉸非線性分析高級分析鋼框架設計方法
1.簡介
鋼結構高級分析[1-2]（亦稱為整體分析[3]）是指通過精確的非線性分析，完善的考慮結構的二階效應及其它非線性因素的影響，通過一次性分析，完成目前先進行內力分析再進行結構驗算的兩階段設計所做的工作。高級分析方法同時考慮影響鋼結構及其構件的極限狀態強度和穩定的關鍵因素。由于非線性效應是在結構分析中直接考慮的，所以用高級分析方法設計鋼框架時，通常不需要進行當前設計規范條文中強制性的單個構件驗算。這種綜合性的設計和分析方法從本質上保證了對設計過程的簡化，使工程設計人員能夠了解要設計的結構在不同荷載水平下的行為和其破壞模式。澳大利亞首先在其1990年版本鋼結構規范AS4100中允許將高級分析方法作為一種可選方法，以簡化不發生局部屈曲和側向屈曲的鋼框架的設計[4]。歐洲標準EC3－1991也做了相應的規定[5]。
空間鋼框架的二階非線性分析有多種方法[6,3,7-8]，這些方法大致可以分為：（1）塑性區法(plasticzonemethod)[9,28-29,31]。塑性區高級分析方法將構件截面劃分成若干有限面積分區，截面的切線剛度就由這些面積分區的彈性特性形成，截面的抗力和彎矩也由分區面積的抗力效應累加形成，利用牛頓－拉普森系列迭代法使不平衡的內力和外力重分配。文獻[10]介紹了塑性區法求解鋼框架極限荷載的過程。很多學者認為塑性區法是精確的。但是由于劃分的單元數量特別多，造成結構的整體剛度矩陣十分龐大，在計算機計算分析過程中會導致較大的截斷誤差，迭代過程中更容易發散，耗時較長。目前許多大型非線性分析軟件采用了塑性區法，或者包括塑性區法的多種混合方法。這些軟件包括ABAQUS、ANSYS、MARC等通用的商業軟件。隨著個人計算機性能的快速提高，用這種方法進行大型結構的分析和輔助設計是可能的。（2）準塑性鉸法(quasiplastichingemethod)[11]。準塑性鉸法是介于塑性區法和塑性鉸法之間的混合方法，該方法利用柔性系數考慮塑性的擴展，使用簡化的殘余應力模式，全截面塑性用塑性區法標定。該方法很難進一步發展用于空間結構分析。（3）塑性鉸法(plastichingemethod，orconcentratedplasticitymethod)及以塑性鉸概念為基礎的改進方法。塑性鉸高級分析方法將構件的屈服集中到幾個截面上，用彈簧模擬塑性鉸形成截面的切線剛度。這樣塑性鉸法避免了將一個截面劃分成多個小的面積分區，多數構件只需劃分成一兩個單元，并且保持了較高的精度，這就大大減小了結構剛度矩陣的大小，簡化了計算機分析過程，提高了效率。
盡管實際上所有的框架都是三維的空間結構，但是有些結構可作為二維平面框架分析，比如不允許局部屈曲和側向屈曲的框架，在一階彎矩、軸向力和面內失穩造成的二階效應綜合作用下，由于屈服過度而破壞。高級分析方法正是從受二維荷載的二維框架分析開始發展起來的，而后在此基礎上進一步研究了局部屈曲和側向屈曲不太重要的三維框架，比如管結構。表1列出了高級分析針對不同類型的框架幾種分析方法的特點[8]：
框架類型
荷載類型
失效形式
失效原因
特別情形
平面框架
面內受力
平面內
屈服
平面內屈曲
平面框架
面內受力
平面內
局部屈曲
局部屈曲后
平面框架
面內受力
出平面
側向屈曲
屈服及翹曲
平面框架
空間受力
雙向彎曲和扭轉
屈服
扭轉
平面框架
空間受力
雙向彎曲和扭轉
局部屈曲
局部屈曲后
空間框架
空間受力
雙向彎曲和扭轉
屈服
扭轉
空間框架
空間受力
雙向彎曲和扭轉
局部屈曲
局部屈曲后
表1高級分析中的幾種方法
目前，二維框架的平面內分析相對較多，考慮其側向屈曲的研究并不多。真正針對三維框架空間受力情形的嚴格分析非常少。
2.塑性鉸法及其改進
塑性鉸法最初發展起來的是彈塑性鉸分析法[12-13]。該方法一般假定構件不發生局部屈曲，即限定構件采用緊湊型截面（compactsection）。允許單元端部形成零長度的塑性鉸，單元的其他部分則保持完全彈性。這一方法從一定程度上考慮了非彈性，但不考慮屈服在塑性鉸形成截面上以及在兩鉸之間的擴展，兩鉸之間殘余應力的影響不能考慮。這種簡單的方法用穩定函數模擬幾何非線性。對于主要發生彈性屈曲的細長構件，彈塑性鉸法與塑性區法計算結果符合很好；然而對于發生較大屈服并伴隨塑性擴展的粗短構件，由于忽略了屈服沿構件的擴展，不能考慮構件因漸進屈服過程造成的剛度削弱，用該方法預測承載能力誤差較大。文獻[3]指出，彈塑性鉸法得到的計算結果對于細長柱內力較小的剛架與塑性區法較接近，但是一般多層多跨剛架的承載力均偏高，有的剛架偏高的幅度很大。
一些學者致力于研究基于塑性鉸概念的改進方法—改進塑性鉸法。Orbison、Prakash和Powell、Chen、Liew和Tang、Kim等、Wongkaew，以及其他研究者，利用塑性鉸法或者改進塑性鉸法作了鋼框架二階非線性分析的研究。Orbison使用彈塑性鉸分析方法，材料非線性用切線模量考慮，幾何非線性用幾何剛度矩陣處理。該方法不考慮剪切變形，對僅承受軸向力的短構件誤差較大。Prakash和Powell改進了塑性鉸法并推出了DRAIN-3DX分析軟件，材料的非線性用截面纖維的應力－應變關系體現，由軸向力引起的幾何非線性用幾何剛度矩陣體現，但是由軸向力和彎曲相關作用引起的幾何非線性不予考慮。該方法高估承受大軸向力構件的強度和剛度。Liew和Tang使用的是改進塑性鉸法，殘余應力用傳統的梁－柱有限元模型考慮，材料非線性以計入描述材料屈服面－邊界面（yieldandboundingsurfaces）的非彈性參數的方式考慮。該方法對僅承受軸向力的短構件低估其屈服強度最大達7％。Chen等所用的改進塑性鉸法用穩定函數考慮幾何二階效應，CRC切線模量考慮殘余應力，同時也提出了處理幾何缺陷的具體方法[7]。這種方法考慮的因素較為全面?？偟膩砜?，Chen、Liew和Kim等發展的改進塑性鉸法可以考慮以下兩種剛度退化：1）塑性鉸形成截面的剛度退化。2）兩塑性鉸之間構件的剛度退化。這種方法和彈塑性鉸法一樣簡單有效，同時保持了對結構體系及其構件承載能力和穩定性計算的較高精度。
經過多年的研究，改進塑性鉸法在分析二維框架的平面內分析方面已比較成熟，開始向空間框架高級分析延伸。有研究者主張先利用現有塑性鉸法進行平面內分析，再進行考慮殘余應力和初始幾何缺陷的基于非線性側向屈曲分析的實用高級分析。這方面的例子見文獻[14,15]。文獻[14]用LRFD公式計算不同側向支撐長度下的側向扭轉屈曲強度，如果無側向支承的長度超過發生全截面（面內）屈服的極限長度，則用側向（彈性或非彈性）扭轉屈曲強度代替全截面屈服強度，代入考慮軸向力與彎矩相關作用的截面塑性強度公式（AISC－LRFD雙線性相關公式）。文獻[15]分別進行平面內分析和平面外屈曲分析，用“有效剛度法”綜合考慮所有材料非線性、殘余應力和幾何缺陷對平面外屈曲的影響。對空間框架的分析見文獻[7,16-17]。其使用的分析單元共有12個自由度（每個端部6個），忽略了翹曲約束的影響。
另外，對改進塑性鉸法高級分析其他有關問題的研究也取得了進展。Chen、Liew、Kim、YoshiakiGoto、N.Kishi等研究了鋼框架的半剛性連接問題[18-23]，使得結構整體分析中可以考慮連接的半剛性及其剪切變形影響。Kim等又進一步研究了考慮局部屈曲效應、應變反轉的方法以及有關弱軸彎曲的處理辦法[24-26]。關于改進塑性鉸法在抗震設計中的應用方法可參考文獻[27]。
改進塑性鉸法可以考慮二階效應、材料非線性和幾何缺陷等多種非線性因素的影響，利用計算機程序對鋼框架進行整體分析，并且具有對計算機性能要求不高、計算省時同時又可以滿足工程設計精度要求等優點，有可能取代當前各國規范普遍采用的基于單構件設計的方法，成為實用的二階非線性鋼框架設計方法。但是因為塑性鉸法沒有像塑性區法一樣將截面分成面積分區，所以很難精確考慮局部屈曲和平面外屈曲特別是翹曲效應，對局部變形、翹曲與軸向力和彎矩間的相關作用、端部翹曲約束的模擬還比較困難。目前該方法一般不考慮屈曲前效應和屈曲后效應。
3.塑性區法高級分析以及其他有關結構非線性研究的進展
塑性區法用于結構分析較早，國內外的研究成果相對多一些。Vogel用塑性區法（塑性分配法）分析了緊湊型截面二維框架[28]，其結果被廣泛用作檢驗框架分析精確程度的標準。Avery則分析了非緊湊型截面框架，給出了詳細的殼單元分析模型[29]，并且做了大型試驗檢驗其分析模型的精度[30]。Jiang等利用塑性區法進行三維鋼框架非線性分析[31]，用塑性擴展模型模擬結構構件，考慮了殘余應力、初始缺陷以及壓力、彎曲和扭轉的耦合效應，但限制局部屈曲，不能考慮側向扭轉屈曲。其所編制的計算機程序要達到塑性鉸法程序相同的精度，需要將構件劃分為7個單元，這也證實了塑性鉸法的效率。此外，Yeong-B.Y和Kuo-S.R對框架體系的幾何非線性分析進行了深入的分析，并首次提出了利用“廣義位移法”求解非線性方程[32]。Buonopane等總結了高級分析設計的可靠度研究，考慮結構特性和荷載的隨機性[33]。
國內的王孟鴻采用薄壁構件理論考慮了構件截面翹曲的影響，進行了各向同性損傷理論塑性區分布模型的彈、塑性區雙重非線性分析，以及考慮局部屈曲、節點區變形和半剛性連接的三維空間鋼結構非線性分析，并且在理論分析基礎上編制了實用的三維空間鋼結構的彈、塑性分析軟件[34]，所做的工作目前是國內較為全面的。舒興平等作了鋼框架結構二階彈塑性穩定極限承載力的試驗研究和分析[35-36]，郭兵、顧正維、王新武等對剛框架的半剛性連接作了研究[37-39]。沈世釗教授、董石麟教授、張耀春教授、尹德鈺教授對空間單層網殼結構的非線進行了深入研究，他們的研究內容也是空間結構高級分析的重要組成部分[40-45]。國內其他研究者對剛框架及其構件非線性分析等問題作了研究[46-48]。
4.改進塑性鉸法對各種非線性影響因素的簡化處理方法
改進塑性鉸法對各種非線性影響因素采用了簡單實用的近似處理方法。鑒于Chen、Liew、Kim、Wongkaew等發展的改進塑性鉸法在目前基于塑性鉸概念的高級分析方法中考慮的問題較為全面，本文以這種方法為基礎詳細介紹改進塑性鉸法的基本概念和技術。這里先介紹平面框架的平面內分析，再介紹平面外分析。
4.1改進塑性鉸法二維框架平面內分析
對二維框架的平面內分析，改進塑性鉸法考慮二階幾何效應、與殘余應力和彎曲相關的漸進屈服以及幾何缺陷等非線性因素。具體解決方法如下面各小節所述：
4.1.1穩定函數考慮幾何二階效應
Chen和Lui提出了簡化的穩定函數，用以體現大位移情況下二階幾何效應。通常一個構件只需分成一個或兩個單元。按照圖1所示梁柱單元，該單元增量形式的力－位移關系可以用公式（1）表示為：
（1）
這里，S1，S2＝穩定函數；，＝增量形式端彎矩；＝增量形式軸向力；，＝增量形式連接轉角；增量形式軸向位移；A，I，L＝面積，初始慣性矩，梁柱單元長度；E＝彈性模量。穩定函數由下式定義：
（2）
（3）
這里ρ＝P／(π2EI／L2)，P以受拉為正。
當軸向力為零時公式（2）、（3）無解。為解決這一問題并避免軸向力變號時公式（2）、（3）不一致，Lui和Chen建議用冪級數展開式近似穩定函數。當構件中的軸向力在－2.0<ρ<2.0范圍內時，可以用下面簡化的表達式近似穩定函數：
（4）
（5）
在絕大多數實際應用中，公式（4）、（5）與精確表達式（2）、（3）符合得非常好(對ρ在－2.0<ρ<2.0范圍外的情況，應當用公式（2）、（3）)。穩定函數法對每個構件只用一個單元，即可保證任意軸向力大小作用下單元剛度各項和求解的軸向力的精度。該公式應用的前提是所有構件都有足夠的平面外支撐，以保證不發生平面外屈曲；構件截面均為緊湊型截面。
4.1.2截面的塑性強度
根據AISI－LRFD雙線性相關公式，截面的塑性強度可以用下式表達：
（6）
（7）
這里P,M＝二階軸向力和彎矩；Py＝壓屈強度；Mp＝全截面塑性彎矩。
Orbison提出的截面塑性強度用下式表達：
（8）
這里，p＝P/Py，mz＝Mz/Mzp(強軸)，my＝My/Myp(弱軸)，Py＝屈服荷載，Myp、Mzp分別是繞y軸和z軸的塑性彎矩。α是力狀態參數，α＝0.5時開始屈服，α＝1.0達到全截面屈服。這兩種截面的塑性公式見圖2、圖3所示：
這兩種塑性強度公式可以用于空間框架結構。對于平面架，簡化為以下兩個公式：
（9）
（10）
這里P，M＝截面的二階軸向力和彎矩；Mp＝全截面塑性彎矩。
4.1.3CRC切線模量考慮殘余應力
對塑性鉸間承受軸向力的構件，用CRC（ColumnResearchCouncil，美國柱研究局）切線模量考慮由于殘余應力導致的沿構件長度漸進屈服。這里減小彈性模量的大小以代替減小初始慣性矩I的大小，以體現截面彈性核減小造成的剛度降低。剛度沿強軸和弱軸減小的速率是不同的，這里并未考慮，因為弱軸剛度的快速減退可以由富余的弱軸塑性強度補償。Chen和Lui建議的Et表達為：
（11）
（12）
4.1.4拋物線函數考慮彎曲影響
切線模量模型適于受軸向力的構件，但對既承受軸向力又承受彎矩的情況，需要引入考慮彎曲塑性效應的塑性鉸逐漸軟化模型，用以體現塑性鉸由彈性到剛度為零的過程。如果單元兩端都在發展塑性鉸，增量形式的力—位移關系可以表達為：
（13）
ηA、ηB＝單元剛度參數，用以體現由彎曲引起的剛度的逐漸減小。單元端部的截面塑性狀態由η在1和0之間變化來體現。η假定按照拋物線表達式變化：
（14）
（15）
這里α是力狀態參數，由單元端部極限狀態面得出。此外，還可以進一步修正單元剛度矩陣以便考慮剪切變形的影響[7]。
4.1.5幾何缺陷
通常有三種處理方法考慮制造或安裝誤差：明確缺陷模型法、等效節點荷載法、進一步減小切線模量法。
1)明確切線模型法
可以取規范規定的最大構件誤差作為幾何缺陷。比如美國AISI規范允許每層的垂直誤差不超過Lc/500，可以采用Lc/500作為幾何缺陷限值。無支撐框架可以考慮垂直誤差幾何缺陷，有支撐框架則不需考慮，因為垂直誤差引起的P-∆效應可以由側向支撐抵消。對有支撐框架，應當用構件的直線誤差代替垂直誤差作為幾何缺陷?？梢匀∫幏兑幎ǖ淖畲髽嫾`差作為幾何缺陷，比如，AISI建議對構件取其最大制造誤差為Lc/1000。直線誤差可以認為沿構件呈正弦波變化，在構件中央達到最大值Lc/1000，然而研究發現每個構件只用兩個單元而構件中央有最大位移（缺陷）的模型已足以反映缺陷效應。
2)節點荷載法
框架的幾何缺陷可以用等效的側向節點荷載代替，用作用在框架一層上的重力荷載表達。建議用0.002∑Pu作為等效節點荷載，Pu是一層上的全部重力荷載。等效的側向節點荷載作用在每一層的頂部。對有支撐框架，等效節點荷載應作用在柱的中間位置，大小取0.004∑Pu。這和幾何缺陷Lc/1000相當。
3)進一步減小切線模量法
為考慮幾何缺陷的影響，可以進一步減小切線剛度Et，也就是用減小切線剛度Et的辦法體現由于幾何缺陷造成的構件剛度逐漸退化?？梢赃M一步減小CRC切線模量為：
（16）
（17）
這里＝減小的Et；ξ''''＝幾何缺陷減小系數。
經大范圍框架和柱子計算驗證，減小系數取值0.85。這種方法比另外兩種方法在設計中更為簡便，既不用在單元模型中加入明確的幾何缺陷，也不用另外施加等效節點荷載，并且不必考慮幾何缺陷的方向，而在分析大型的有側向支撐框架時確定最不利幾何缺陷方向往往很困難。根據文獻[3]的分析，等效節點荷載法和進一步減小切線剛度法的精度是令人滿意的。
4.2考慮平面外屈曲的方法
有關單個梁（受壓）和梁柱（壓彎）構件的側向屈曲有很多研究成果，但對于框架結構體系中的側向屈曲問題目前的研究還不多。在結構中構件的翹曲往往與構件間的相關作用有關。比如，對于相互垂直連接的工字形構件，一個構件的扭曲將導致另一構件的翼緣翹曲，而翹曲構件翼緣的雙彎矩會影響前一構件的翼緣扭曲。此外，各種形式的連接其傳遞扭曲或翹曲的能力也各不相同。因此，針對結構體系考慮側向屈曲是一個非常復雜的問題。
4.2.1考慮平面外側向屈曲的條件
鋼框架建筑中，梁構件一般由樓板提供了足夠的面外約束，能充分發展面內強度，而梁－柱（壓彎）構件只在其端部有面外方向的約束，可能發生平面外彎曲或扭曲。根據參考文獻[15]的研究，在面內荷載的作用下，無側移（有側向支撐）平面鋼框架建筑中的柱構件通常由綜合彎曲屈曲和扭轉屈曲的平面外失效模式控制，有側移（無側向支撐）平面鋼框架建筑中的柱構件也可能由平面外失穩控制。因此，對于鋼框架建筑中的梁構件用平面內高級分析方法就可以了，對其柱構件則需進行平面外高級分析。
4.2.2考慮平面外側向屈曲的簡化方法
嚴格來講，二維框架由于其兩個主平面的初始彎曲和初始扭轉，實際上受雙軸彎曲和扭轉作用。但目前研究實用的雙軸彎扭屈曲高級分析方法還很困難，充分考慮平面外彎扭屈曲失效模式的實用高級分析技術還不存在。于是，有研究者建議把分析簡化為平面內和平面外兩個獨立的階段，首先進行塑性鉸法平面內高級分析，再進行平面外高級分析。一些國家的規范也要求分別進行平面內和平面外承載力驗算。這種簡化的方法使得當前可行的平面內分析方法在第一階段可以保留使用，只需要研究平面外分析方法，而且平面內分析使用的結構形狀及得到的彎矩和軸向力分配可以直接作為輸入數據用于平面外分析。具體分析過程為：根據當前的荷載和幾何效應，計算各分析單元的平面內和平面外剛度矩陣，分別組成結構的整體平面內和平面外剛度矩陣，施加邊界條件，若平面內剛度≤0，則改用較小的荷載增量重復該循環分析；否則檢查平面外剛度矩陣，若平面外剛度矩陣≤0，則改用較小的荷載增量重復該分析。若結構平面內平面外穩定均滿足，應用該增量荷載求解未知增量位移、增量荷載。最后更新單元的幾何和荷載效應，施加下一步增量荷載重復分析直至結構失效。
前文所述平面內分析實質上是對結構在面內荷載作用下的彈性彎曲分析，做出了一些修正以允許軸向力和屈服造成的截面剛度削弱，以及因殘余應力、屈服、初彎曲和平面內效應造成的彎曲剛度削弱。但是，對于面內荷載作用下的框架結構的出平面屈曲分析來說，并沒有直接的平面外行為，最主要的平面外行為是構件出框架平面外的側向屈曲。所以，相應的出平面分析應當是一種屈曲分析而不是彎曲分析。如此，則所有的初彎曲和初扭轉缺陷應被去除，但其影響可以某種形式考慮。
文獻[8]給出了用有限元特征值問題處理平面外屈曲的公式：
（18）
[KL]是平面外剛度矩陣，[KG]是平面外穩定（幾何剛度）矩陣，{∆}平面外位移向量。剛度矩陣應當包括由屈服引起的任何削弱效應，穩定矩陣應當允許彎矩分配和荷載關于剪心高度的效應，以及軸向力和彎矩的非彈性重分配。合適的處理節點平面外變形的連續性可以考慮端部約束的效應。
4.2.3實用的側向屈曲分析方法—有效剛度法
在目前考慮平面外屈曲的改進塑性鉸法高級分析中，以K.Wongkaew和W.F.Chen[15]給出的分別進行平面內和平面外兩階段分析的平面鋼框架設計分析方法較為實用。該方法用彈性剛度的有效值代替其彈性值以考慮材料非線性和幾何非線性效應對平面外屈曲強度的影響，采用線性穩定函數理論，并用有限元分析方法導出二階剛度矩陣。設計平面鋼框架采用的與非線性相關的假定，在與設計規范構件強度公式保持一致的基礎上稍作修正。假定位移和應變足夠小，以便線性穩定（二階）理論可以應用，這是經典穩定理論的基礎。非彈性、殘余應力和幾何缺陷的效應在構件的水平上得以考慮。其具體做法如下面的分節所示。
4.2.3.1對二階效應的考慮
要考慮鋼框架的平面外位移，一個分析單元需要14個整體自由度才能反映所有可能的位移，每個節點包括三個橫向自由度、三個扭轉自由度和一個翹曲自由度。圖4是荷載效應和相應位移的示意。
圖4整體荷載效應及整移
基于線性穩定假定，Chen、Atsuta和Trahair[49-50]以及其他研究者證明，對于承受平面內荷載的平面框架，在線性狀態下其平面內的荷載－位移關系與平面外的分叉屈曲是不耦合的。因此，分析單元的剛度矩陣可以用四個獨立的矩陣組成，一個與平面內行為相關，一個與平面外行為相關，另外兩個是零矩陣。平衡方程可以用符號表示如下：
（19）
這里的平面內項為：
（20）
（21）
是平面內剛度矩陣。平面外項為：
（22）
（23）
是平面外剛度矩陣。平面內剛度矩陣ki的推導主要有兩種方法，包括有限元分析法和穩定函數法。但目前正確的平面外剛度矩陣還沒有被推導出來，這里用到的平面外二階剛度矩陣ko是Barsoum和Gallagher[51]用有限元分析方程得出的，推導中用到的假定與經典穩定分析所采用的假定一致。計入平面外荷載效應，用0值替代相應項，平面外二階剛度矩陣可以表示為：
（24）
4.2.3.2對材料非線性和幾何缺陷的考慮
用“有效剛度法”考慮所有材料非線性、殘余應力和幾何缺陷對平面外屈曲的影響，具體做法是將平面外彈性剛度EIy、EIw和GJ用體現剩余彈性核特性的值(EIy)t、(EIw)t、(GJ)t代替。對于幾何缺陷造成的額外荷載效應對截面能力的削弱，用進一步減小剛度的方法近似。為了與規范中設計公式一致，用規范中的構件強度公式標定有效剛度的大小，并使有效剛度同時包括幾何缺陷和材料非線性兩種影響因素的效應。文獻[15]給出了具體的梁、柱及壓彎構件的等效剛度。
4.2.3.3對翹曲自由度的處理
由于僅在構件的水平上考慮了翹曲，所以假定單元端部連接處翹曲自由度間要么完全相互制約：在同一連接上的所有單元端部共用一個整體翹曲自由度；要么沒有相關作用：每個單元有自己的翹曲自由度，這使每個翹曲自由度產生了一個附加的獨立自由度，并允許各單元在連接處有不同的瞧去約束。對于前者可以把每個連接單元與翹曲相關的項直接加入框架剛度矩陣，對后者翹曲約束可以作為邊界條件處理。
需要指出的是，嚴格處理單元端部在連接處的相關作用需要能考慮截面畸變的更先進的分析，需要詳細考慮各種連接方式的細節。這種分析的例子見文獻[52-53]。
4.3關于半剛性連接
除了幾個特例外，鋼框架的連接通常是半剛性的。文獻[18,54]討論了常用連接的特性，文獻[18]還總結了幾種模擬半剛性連接的彎矩—轉角特性的計算公式，詳細討論了半剛性框架的分析。這里僅簡單介紹Liew、Kim等在塑性鉸高級分析中對半剛性連接的模擬方法。他們把梁柱半剛性連接模擬為零長度轉動彈簧，所用的方程允許構件與連接之間產生相對扭轉和彎扭。單元端部的連接單元直接作為整體未知量，無需修改單元剛度矩陣，因此便于應用。
Liew[55]對薄壁管構件鋼框架采用了Heish推薦的四參數冪函數模型體現典型連接的彎矩轉角關系。其表達式為：
（25）
圖6三參數模型
Ke是連接的初始剛度矩陣，Kp是應變強化剛度矩陣，M0是參考彎矩，n是形狀參數。如果有試驗數據，公式中的四個參數可以通過曲線擬合得到；如果直到連接的細部情況，也可用分析方程得出。但是一般設計時并不確定連接的具體方式，需要一個基于一般連接試驗數據庫的標準曲線作為參照，或者使用根據數據庫得到的有關參數。Heish的研究報告給出了九種常用連接方式在面內彎曲荷載作用下的四個參數的平均值。
Kim[56]等采用了用三個參數的Kishi－Chen冪函數模型：
（26）
這里的m＝M/Mu，θr＝θ/θ0，θ0＝Mu/Rki，Mu是連接的最大彎矩承載力，Rki是初始連接剛度，n是形狀參數。對于公式中的參數，文獻給出了四種常見連接的解決方法。
以上兩種方法都可以考慮卸載導致的應力重分配對連接的影響。
5改進塑性鉸法的驗證
對改進塑性鉸法精度的驗證，一般推薦兩種方法，一種是與塑性鉸法的分析結果對比，一種是與設計規范的計算結果對比。文獻[3,7,14-17,20,22,24]等的對比結果顯示改進塑性鉸法分析具有較高的精度，能夠滿足工程設計的要求，可以用于實際設計。
6結論和建議
塑性區法高級分析尚有待簡化，比如使用包括梁柱單元的混合單元，才能普遍用于實際工程設計。改進塑性鉸法作為一種可行的整體分析方法，已能夠考慮二階非線性、幾何非線性、材料非線性、連接非線性等影響鋼框架的強度和穩定的關鍵因素，有望成為鋼框架工程設計的實用方法。
本文首先介紹了有關高級分析的一些基本情況，然后分別針對平面框架的平面內分析和平面外分析，詳細介紹了改進塑性鉸法對各種非線性問題的處理方法。文中還介紹了對梁、柱、壓彎構件和二維鋼框架結構非線性分析的現狀。對構件的非彈性平面外屈曲，尤其是雙向壓彎構件的屈曲，研究并不充分，針對二維框架的非彈性研究也不多。此外，很少有人在高級分析中研究弱軸彎曲的問題。
改進塑性鉸法用穩定函數法或有限元分析方程推導出單元剛度矩陣，考慮二階效應的影響。對殘余應力、幾何缺陷和彎矩的影響等因素也采用近似的方法解決，并保持了較高的精度。用減小切線模量代替減小截面慣性矩近似殘余應力造成的截面平面內承載能力削弱，用體現剩余彈性核特性的值(EIy)t、(EIw)t、(GJ)t代替平面外彈性剛度EIy、EIw和GJ，以有效剛度法體現所有材料非線性、殘余應力和幾何缺陷造成的平面外能力的削弱等等，這種近似解決的方法證明是可行的。
改進塑性鉸法為了簡化計算和分析，將一個構件用一個或者二三個單元分析。由于沒有在截面上劃分分區單元，很難考慮局部屈曲和截面翹曲這種需要詳細分析截面各纖維受力狀態的問題。對于影響結構強度的關鍵構件或連接，應當用塑性分配法。而要考慮非彈性側向屈曲，包括局部屈曲和翹曲的塑性效應，必須改變現在使用的三參數塑性強度公式。一個可能的解決方法是在塑性分配法中使用殼單元，這種單元不但便于解決翼緣或腹板的局部屈曲，還能夠很好的考慮構件的側向扭轉和翹曲效應。
嚴格意義上的空間鋼框框架二階彈塑性分析似乎還未出現。要真正在結構水平上分析鋼框架在不同荷載水平下的行為和失效模式，需計及彎扭屈曲，解決具有雙向彎曲和扭轉并相互耦聯的更為復雜的三維空間剛架的彈塑性穩定問題，還需要考慮結構的整體扭轉、最不利的荷載組合、荷載相對剪心的距離以及各個構件最不利的幾何缺陷形式等復雜問題。
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