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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

作者:侯晓武丨职位:技术经理

仁荷大学(韩)建筑工学博士

曾任建筑软件(MIDASGen/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

01前言

《钢结构设计标准》(GB50017-2017,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。

02算例参数

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

03对比模型

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。

图2SAUSG模型

图3PKPM模型

图4MIDAS模型

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

图6构件缺陷示意图

3.2质量与周期对比

表1质量与周期对比

从表1可以看出,三个软件的模型质量和前三个振型的周期结果

一致。

3.3框架柱内力对比

3.3.1一阶弹性内力对比

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。

图7构件位置示意图表2底层框架柱弹性分析内力对比

从表2可以看出,三个软件在恒荷载作用下的框架柱一阶弹性轴

力结果一致。

3.3.2直接分析设计影响因素对比

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。

表3直接分析法各因素对底层框架柱内力影响

从表3可以看出,在恒荷载作用下,初始缺陷对构件内力影响明

显,几何非线性和材料非线性对构件内力影响不大。由于本算例为某

工程事故钢框架结构模型,所以在恒荷载下即发生了部分材料非线性,

如图8所示,结构在恒载作用下中部框架柱进入塑性,塑性应变最大

值为9.5e。

-4

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。

表4整体缺陷施加方向对构件内力的影响

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

采用传统设计方法进行钢构件稳定计算时,分别假定结构为无侧

移和有侧移,PKPM

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