技术周刊丨钢框架结构直接分析设计与传统设计方法对比研究——恒荷载作用结果对比
仁荷大学（韩）建筑工学博士
曾任建筑软件（MIDAS Gen/Building）技术负责人
拥有11年建筑软件技术支持经验
现专注于建筑结构非线性分析及抗震性能化设计等相关研究
每年协助用户完成百余个复杂项目的超限分析
《钢结构设计标准》（GB 50017-2017，以下简称“钢标”）第5.5节增加了直接分析设计法。目前国内关于直接分析设计法与传统设计方法的对比研究还较少，本文对某钢框架结构在恒荷载作用下进行了直接分析设计与传统设计结果的对比研究。
该研究案例采用了某实际钢框架结构，横向3跨（跨度为7m），纵向6跨（跨度为8m），标准层平面布置图如图1所示，单位为mm。钢梁、钢柱均为H型钢，材料为Q345，楼板为120mm厚C30混凝土板。
图1 结构平面布置图
3.1 计算软件及模型
采用钢结构直接分析设计SAUSG-Delta软件建立了该钢结构的三维有限元数值模型。其中，钢结构的梁、柱构件均采用纤维梁模型进行模拟，可考虑钢结构中杆系构件的局部屈曲。混凝土楼板采用弹塑性分层壳单元模拟。
直接分析法的结构整体初始几何缺陷按“钢标”公式5.2.1-1采用，整体初始几何缺陷代表值的最大值取H/250，H为结构总高度。构件的初始缺陷代表值按“钢标”公式5.2.2-1采用，构件综合缺陷代表值根据型钢类型按“钢标”表5.2.2采用。传统设计方法中的计算长度系数分别假定为无侧移框架和有侧移框架进行对比分析。
图5 整体缺陷示意图
3.2 质量与周期对比
表1 质量与周期对比
3.3 框架柱内力对比
选取一层角部、外边和中间三个位置的框架柱，如图7所示，查看框架柱在1.0倍恒荷载作用下的内力，结果如表2所示。
为进一步研究几何非线性、材料非线性以及结构初始缺陷对直接分析设计结果的影响，在SAUSG-Delta软件中分别按照一阶弹性、单独考虑几何非线性、单独考虑初始缺陷（整体缺陷+构件缺陷）、单独考虑弹塑性四种情况进行分析对比，结果如表3所示。
图8 框架柱钢材塑性应变
3.3.3 整体缺陷施加方向对比
分别设置整体缺陷施加角度（整体缺陷方向与整体坐标系X轴方向的夹角）为0、30、45、60以及90度进行直接分析设计，结果如表4所示。
从表4可以看出，对于角柱，沿45度方向设置整体缺陷时轴力最大；对于外边柱和中间柱，当整体缺陷角度为0度时构件轴力和强轴方向弯矩最大，而整体缺陷角度为90度时，构件弱轴方向弯矩最大。
3.3.4 底层柱应力比对比
表5 框架柱计算长度系数对比
传统设计方法与直接分析设计得到的底层框架柱应力比如表6所示。
表6 底层框架柱应力比对比
从表6可以看出，该结构的角柱、外边柱和中间柱，传统设计方法均由弱轴方向稳定控制，有侧移与无侧移应力比计算结果相差较大；直接分析设计得到的应力比介于传统设计方法的有侧移和无侧移应力比结果之间。
从表7可以看出，角柱在初始缺陷为45度时应力比最大，外边柱和中间柱的初始缺陷为90度时应力比最大，说明至少应施加0度、45度和90度的初始缺陷以获得直接分析设计的最不利应力比。
本文对一个钢框架结构进行了恒荷载作用下的传统设计方法与直接分析设计方法对比研究，结论如下：
（1）钢框架结构的初始缺陷对直接分析设计结果影响明显。
（2）钢框架结构应至少沿0度、45度和90度方向施加初始缺陷进行直接分析设计。
（3）钢框架结构的直接分析设计应力比可能介于传统钢结构设计方法的有侧移和无侧移结构之间，可以更好的体现钢框架结构真实受力状态。