弹性直接分析法几项关键因素在SAP2000中的实现途径——以大跨度大倾角折线形刚架设计为例.pdf
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1、2024年第2 期No.22024中图分类号:TU758.11文献标志码:B文章编号:10 0 8-0 47 3(2 0 2 4)0 2-0 0 5 0-0 4DOI编码:10.16 0 0 8/ki.1008-0473.2024.02.011新世纪水泥导报CementGuideforNewEpoch工程设计与建设弹性直接分析法几项关键因素在SAP2000中的实现途径以大跨度大倾角折线形刚架设计为例曾彬郭小玲(成都建筑材料工业设计研究院有限公司,四川成都6 10 0 5 1)摘要弹性直接分析法的指导性原则自2 0 17 年出现在钢结构设计标准中,其实施途径鲜有文献报道,工程师难以应用。本文以某
2、骨料线泥堆棚为例,探索了弹性直接分析法区别于常规一阶分析的几项关键因素,包括:结构整体初始几何缺陷、构件初始综合缺陷、二阶效应等在SAP中的实现途径。分析表明:通过结构最低阶整体屈曲模态变形缩放可以考虑结构整体初始几何缺陷,构件网格剖分及附加弯矩可以考虑构件初始综合缺陷,各荷载工况继承预设P-工况分析刚度可以将非线性二阶效应分析转化为线性叠加,以上途径实现了弹性直接分析法的工程应用,可为大跨钢结构和没有明显层概念的钢结构设计提供参考。关键词弹性直接分析法整体初始缺陷构件初始缺陷预设P-0引言在水泥、骨料工程中,通常采用网架作为大面积堆料场的主体结构。当条件受限时,也选择门式刚架,跨度宜为12
3、48 m,斜梁坡度宜为1/81/2 0,外形相对规则。当既不能采用网架,也不能按门式刚架设计时,可按照钢结构设计标准(以下简称钢标)进行设计。钢标推荐了三种设计方法:一阶弹性分析、二阶P-弹性分析、直接分析法,其中直接分析法又分为弹性直接分析法和弹塑性直接分析法,由于后者还处于研究阶段,本文仅研究前者。一阶弹性分析:内力分析建立在结构未变形基础之上,不考虑变形对内力的影响,通过计算长度折减柱子的承载力近似考虑其稳定性。二阶P-弹性分析:考虑结构的整体初始缺陷,适用范围更广,未考虑构件缺陷对结构内力和变形的影响,因此仍然需要计算结构的稳定,计算长度系数可取1.0或其他认可的值。弹性直接分析法:同
4、时考虑结构的整体初始缺陷和构件初始缺陷,以及其他对50结构稳定性有显著影响的因素,将稳定问题量化为强度问题,理论上只需强度计算。工程中采用哪种分析法,通过结构的最大二阶效应系数判断。钢标中的弹性直接分析法与欧美标准有所区别,目前,各商用软件对规范指导原则的理解和处理存在差异,积累的工程经验较少。工程中普遍采用的还是一阶弹性分析和二阶P-弹性分析,对于诸如大跨结构、没有层的结构等,这两种方法均不满足计算需求,弹性直接分析法是最合理的选择。本文以某骨料线泥堆棚为例,结合有限元软件SAP2000,通过弹性直接分析法在大跨度大倾角折线形刚架设计中的应用,探索影响弹性直接分析法的几项关键因素在SAP20
5、00中的实现途径。1 工程案例某骨料生产线泥堆棚(见图1所示)平面尺寸38m38m,主体结构高17 m,抗震设防烈度6 度,基本风压0.3 kN/m。由于工艺功能需求,刚架由多段折线组成,倾斜段倾角3 9,超出了门式刚架轻型房屋钢结构技术规范(后文简称门刚)2024年第2 期No.22024的范畴,不能按门刚进行设计。由于刚架倾角大,轴压力效应显著,不可忽略,需要同时考虑刚架平面内、外的稳定性。平面外的计算长度由刚性撑杆的间距决定,与常规设计相同;由于刚架形状的不规则性,平面内的计算长度无法按钢标进行计算,同时刚架的杆件与欧拉杆相差较远,借助构件的屈曲分析通过欧拉临界力反算其计算长度的方法可能
6、存在较大误差,因此,常规方法已不适用于指导该刚架的设计,只能采用弹性直接分析法。图1泥堆棚三维模型2初始缺陷分析2.1整体初始缺陷结构整体初始几何缺陷可采用以下方法考虑:(1)按结构最低阶整体屈曲模态采用;(2)几何缺陷最大值取结构总高度的1/2 5 0;(3)每层柱顶按规范要求施加几何缺陷值;(4)每层柱顶按规范要求施加假想水平力(见图2 所示)。N4N2N(a)框架整体初始几何缺陷代表值图2 框架及支撑结构整体缺陷施加后三项方法适用于有明显层概念的框架及支撑结构,并不适用于泥堆棚中的刚架,因此需采用结构最低阶屈曲模态考虑。钢标只给出了指导曾彬,等:弹性直接分析法几项关键因素在SAP2000
7、中的实现途径-以大跨度大倾角折线形刚架设计为例原则,并未给出如何利用屈曲模态施加结构的几何初始缺陷。屈曲模态的变形值本身没有实际意义,只是反应各阶模态下构件变形的相对比例关系,因此结构的初始几何缺陷最大限值可以通过这种比例关系的缩、放施加到结构上。笔者经过探索,在SAP2000中可以通过模态缩放法修改未变形几何实现,其基本原理如下:选取结构整体的最低阶屈曲模态,读取该模态下各点的位移值(x,y,z),找出最大位移max(x+z)1/2,求取初始缺陷修正系数k=(L/3 0 0)/ma x(x+y 2+z)/2,将各点位移乘以修正系数得到修正量k(x,y,z),然后修正各点坐标(X,Y,z)+k
8、(x,y,z)。根据钢标规定:“大跨度钢结构体系的稳定性宜采用直接分析法。结构整体初始几何缺陷模式可按最低阶整体屈曲模态采用,最大缺陷值L/300,L为结构跨度”,因此该刚架最大缺陷值取:3 8/3 0 0=0.12 7 m(见图3 所示)。图修改未变形几间大尚前港顶Nope几何婚改进项目标位移法节点坐标去节点位移模态缩款法-基于模态形状修改未变形几间荷载工兑授型最大位移值【做真】原仙的来变形几网方向和位置坐标系坐标轴仅给已节点】的至样值N图3 未变形几何修改H.软件可以自动实现计算过程,由于分析模型NhHh4h,h了程设计与建设buding20.127GOLOBAL口Y可能存在局部振动,整体
9、最低阶屈曲模态不一定是N第一阶模态,因此需要甄别屈曲分析结果中哪阶模HHNH(b)框架结构等效水平力口2态是结构分析的需要。本结构的最低阶整体屈曲模态为第二阶,而不是第一阶。2.2构件的初始缺陷77构件的初始缺陷包括初始弯曲和残余应力。在弹性直接分析法中,可取构件综合缺陷代表值,该值(见表1所示)包含了残余应力的影响,在SAP2000中通过对构件进行网格划分,通常每根构件不小于4个单元(见图4所示),除非有充分依据证明该构件能可靠地由一个单元模拟(如只受拉支512024年第2 期No.22024撑)。通过单元的细分,模拟构件的P-效应,由此产生的附加弯矩M=Neo(N:构件轴力;eo:构件综合
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