钢结构弹塑性分析，你做对了吗？

2021

钢结构弹塑性分析

你做对了吗？

SAUSG

引言

众所周知，我国抗震设计目前采用“二阶段设计法”。对于钢结构，第一阶段设计一般基于线弹性分析内力，采用计算长度系数法进行设计；对于一些重要的、复杂的钢结构，还要进行第二阶段的设计和验算，一般采用弹塑性分析方法。

进行钢结构弹塑性分析时，要符合如下规定【1】：

1、框架柱和框架主梁至少要划分4个单元；斜支撑考虑受压承载力时，每一段应划分4个单元，只受拉支撑可以只划分为一个单元。

2、钢材的应力-应变曲线可为理想弹塑性，混凝土的应力-应变曲线参照《混凝土结构设计规范》；其中的屈服强度取规范规定的强度设计值，弹性模量取标准值。

3、梁柱形心线的偏心要得到精确模拟。

4、纯钢构件必须考虑残余应力，组合构件则无需考虑残余应力。构件的初始弯曲建议取杆长的1/750，楼层的初始倾斜建议取层高的1/750；受压斜支撑的初始弯曲为斜支撑总长的1/500，跨层支撑为每层内长度的1/500。

SAUSG软件钢材本构采用双线性随动强化模型。在进行钢结构弹塑性计算分析时，可以考虑几何非线性、材料非线性以及结构和构件的初始缺陷。由于对杆件进行了网格细分，可以较为真实地模拟出杆件的受压失稳状态，以及由于失稳产生的构件承载力下降。

现以一个钢框架-中心支撑结构的实际工程作为算例，对以下三种计算模型的计算结果进行对比分析：

模型一：考虑几何非线性+材料非线性；

模型二：考虑几何非线性+材料非线性+斜撑网格细分；

模型三：考虑几何非线性+材料非线性+构件初始缺陷+斜撑网格细分；

模型四：考虑几何非线性+材料非线性+构件初始缺陷+整体初始缺陷+斜撑网格细分。

结构概况

图1 模型示意图

本工程结构形式为钢框架-中心支撑结构体系，地上11层，结构高度39.3米；柱子为方钢管柱，底层柱截面为600mmX600mm，框架梁为工字钢梁，楼板为压型钢板组合楼板；抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，模型如图1所示。

主要计算结果(限于篇幅仅列出Y向)

图4 RH4TG045-Y工况下基底剪力时程曲线

图5 RH4TG045-Y工况钢材塑性应变（模型一）

图6 RH4TG045-Y工况构件性能评价（模型一）

图7 RH4TG045-Y工况钢材塑性应变（模型二）

图8 RH4TG045-Y工况构件性能评价（模型二）

图9 RH4TG045-Y工况钢材塑性应变（模型三）

图10 RH4TG045-Y工况构件性能评价（模型三）

图11 RH4TG045-Y工况钢材塑性应变（模型四）

图12 RH4TG045-Y工况构件性能评价（模型四）

表1 主要计算结果

可以看出：

（1）模型三的基底剪力仅为模型一的83%，位移角却为模型一的115%，在基底剪力大幅减少的情况下，最大层间位移角不减反增，说明模型三相对于模型一刚度退化严重；从图2中可以看出，由于模型三底部几层的斜撑失稳或屈服，底部位移角增加的较多，顶部楼层斜撑依然保持弹性未失稳状态；

（2）由于模型一没有对斜撑进行网格划分，无法真实地模拟出杆件的受压失稳以及由于失稳产生的构件承载力下降，所以较高的估计了结构的刚度和构件的承载力，屈服的钢构件占比为1.0%，斜撑基本处于无损坏和轻度损坏；

（3）模型二对斜撑进行了网格划分，能够模拟出杆件的受压失稳以及由于失稳产生的构件承载力下降；从图7、8可见底部部分斜撑受压屈曲或屈服，屈服的钢构件占比为1.4%，半数斜撑达到中度以上损坏；

（4）模型三不仅对斜撑进行了网格划分，还考虑了构件初始缺陷，构件初始缺陷对刚度影响较小，但是有更多的斜撑受压屈曲或屈服，屈服的钢构件占比为1.6%，斜撑达到中度以上损坏的数量进一步增加；

（5）模型四是在模型三的基础上，增加考虑了结构整体初始缺陷，其计算结果与模型三基本一致，可知结构整体初始缺陷对结构计算结果的影响不如构件初始缺陷明显，但是对于局部构件的屈服和失稳有一定影响。

结论

进行钢结构弹塑性分析仅考虑几何非线性、材料非线性是不够的，要得到更加准确的分析结果，还应该细致地模拟杆件的受压失稳以及由于失稳产生的构件承载力下降，同时还需要考虑结构和构件的初始缺陷对结构稳定和承载力的影响。

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参考文献：

[1] 童根树.钢结构设计方法[M].北京：中国建筑工业出版社,2007.

END

排版| 小编

文案| 孙磊

图片| 不可商用