钢筋混凝土建筑结构中框架柱类构件的非弹性稳定性验算方法研究.pdf

中文摘要 摘 要 对于任意一个可靠的结构体系而言，强度、刚度（或者说变形）和稳定性都 是其需要满足的基本要求。在钢结构中，由于钢材具有强度高、韧性好、材质均 匀且力学性能接近理想弹塑性等特点，故结构构件在满足强度和刚度的要求下， 普遍设计得较细长或较薄，此时构件的稳定性将对构件的设计起到控制作用。因 此，世界各国钢结构设计规范除了要求对整体结构的侧向稳定性进行验算外，还 要求对结构中单根构件的整体稳定性及局部稳定性进行验算。 在钢筋混凝土结构中，由于混凝土材料的强度明显小于钢材，因此构件的长 细度通常不会过大以致于发生失稳，故各国混凝土结构设计规范虽都对考虑柱类 构件的二阶效应作出了明确规定，但尚未见有规范对柱类构件的稳定性验算作出 规定或给出可供参考的建议方法。尽管如此，面对某些长细度、轴压力偏大的特 殊柱类构件，如越层柱等，结构设计人仍需回答其是否存在失稳风险的问题。 到目前为止，在国内外公开发表的研究成果中尚未有哪些信誉好的足球投注网站到得到广泛认可的钢 筋混凝土柱类构件非弹性稳定性验算的有效方法。因此，本文出于结构设计的实 际需要，以结构静力非弹性分析或非弹性动力反应分析的结果为出发点，在整个 结构体系满足重力荷载作用下的侧向整体稳定性要求的前提下，试图给出结构中 单根框架柱类构件在非弹性受力状态下的稳定性验算方法。 本文得出的主要结论有： ① 由于目前部分研究者在对柱类构件的稳定性验算中尚存在误用 − l0 法的 计算长度及失稳屈曲模态概念的问题，因此本文对压杆稳定问题的基本概念进行 了梳理并特别关注了计算长度与失稳屈曲模态的概念，同时简要说明了二阶效应 −l l 范畴的计算长度 （即 法取用的计算长度 ）与稳定范畴的计算长度的区别与 0 0 联系。两类计算长度虽然都表示了某种等效关系，但从概念上讲两者等效的主体 却是不同的，二阶效应范畴的计算长度原则上反映的应是与框架柱实际受力状态 对应的 “标准柱”控制截面的弯矩放大系数与框架柱柱端控制截面考虑P − 效 应后的弯矩放大系数的等效关系；稳定范畴的计算长度则用于将不符合两端铰支 条件压杆的稳定临界荷载等代为与其同截面、同材料的两端铰支压杆求解，因此 稳定范畴的计算长度原则上反映的是压杆稳定临界荷载的等效关系。另一方面， [1] 出于简化计算方法的考虑，以美国ACI 318 规范 为代表的部分规范在使用考虑层  − l P −  效应的 s 0 法近似计算有侧移框架柱的 效应时， “借用”由“分离杆件法” 得出的稳定范畴的计算长度替代了二阶效应范畴的计算长度，但由于实际结构中 二阶效应分布规律的复杂性，这种 “借用”并不能保证在各种情况下都能准确反 I 重庆大学硕士学位论文 映框架柱的P − 效应规律。因此，−l0 法只能视为在直接考虑结构二阶效应的 弹性二阶分析方法尚未成熟之前的一类近似计算框架柱P − 效应的简化方法，故 在目前对于建筑结构的非线性分析方法 （例如基于几何刚度的有限元法）已相对 成熟的背景下，−l0 法似乎已不宜再用来考虑框架柱的P −  效应，更不应将这 l 种方法中使用的 用在压杆的稳定分析中。 0 ② 简要介绍了当前研究界为结构设计中某些特殊柱类构件稳定性验算提出 的有关方法，并指出了这些方法在概念上可能存在的主要问题。例如，在未充分 了解屈曲模态的前提条件和适用范围的情况下，选用结构屈曲分析得出的高阶屈 曲模态验算柱类构件的稳定性应视为一种理论概念不正确的不可取方法。 ③ 提出了本文建议的基于框架柱类构件实际非弹性变形特征的稳定性验算 方法，根据该方法的主要思路，给出了由框架柱的实际非弹性变形状态及受力状 态推导其非弹性计算长度的方法，在此基础上采用获得广泛认可的通用有限元分 析软件ABAQUS