大跨度钢结构非线性分析研究
钢结构非线性因素无网格分析
钢结构非线性因素无网格分析钢结构非线性因素无网格分析摘要：随着钢结构应用的广泛，对其力学性能的研究也日益深入。
传统的有限元方法在分析钢结构中的非线性因素时存在网格依赖性和计算效率低下的问题。
为了解决这些问题，无网格方法被引入到钢结构的非线性分析中。
本文综述了钢结构非线性因素无网格分析的基本原理和方法，包括无网格法的基本理论、钢结构非线性因素的特点以及无网格法在钢结构中的应用实例。
通过对无网格法的研究，可以更准确地分析和预测钢结构的非线性行为，提高钢结构设计的可靠性和经济性。
一、引言钢结构是一种重要的建筑结构形式，具有重量轻、强度高、施工速度快等优点，在工业、民用建筑以及桥梁等领域得到广泛应用。
然而，由于钢材的非线性行为和系统非线性因素的存在，使得钢结构的力学性能分析变得复杂和困难。
传统的钢结构分析方法主要基于有限元法，通过将结构离散化为一系列小单元，利用线性和非线性元素进行力学计算。
然而，有限元法存在着计算误差与网格大小相关的网格依赖性问题。
这意味着，随着网格的细化，计算结果会趋于收敛，但同时计算量也会呈指数增长。
因此，有限元法在分析非线性问题时往往需要大量的计算资源和时间。
为了解决这些问题，无网格方法被引入到钢结构的非线性分析中。
无网格法是一种基于质点或节点的计算方法，与有限元网格无关。
它通过直接对结构内部各个单元的物理行为进行建模，避免了网格依赖性问题。
二、无网格方法的基本原理无网格法是一种基于质点或节点的方法，通过离散化结构内部各个单元，并进行力学计算。
与有限元法不同，无网格法不需要网格划分，因此可以避免网格依赖性问题。
无网格法有多种形式，包括颗粒法、网格less法和节点无网格法等。
三、钢结构非线性因素的特点钢结构中的非线性因素主要包括材料非线性、几何非线性和接触非线性等。
其中，材料非线性是由于钢材本身的力学响应与应力应变关系不是线性的而引起的。
几何非线性是指在大变形情况下，结构的几何形状产生明显变化，导致结构的力学性能发生非线性行为。
超大跨度预应力管桁架非线性分析结果和线性分析结果对比
超大跨度预应力管桁架非线性分析结果和线性分析结果对比预应力拉索可以采用索单元模拟或者采用杆单元来模拟，也可以采用梁单元将抗弯刚度设置成非常小的数值来简化模拟。
当采用非线性分析方法时，采用索单元可以较为准确地模拟索单元的悬垂线，但是计算效率较低，而当忽略索单元悬垂效应时，采用杆单元模拟更为高效。
根据《大跨度预应力钢结构干煤棚设计与施工》3.5.5，认为大跨度预应力桁架结构在外荷载作用下，考虑几何非线性和不考虑几何非线性影响的结构响应比较接近，结算结果的偏差可以控制在5%之内。
当结构整体强度指标控制得较低，例如杆件应力比控制在0.85~0.9之间时，通常可以采用线性计算来代替非线性计算，以提高计算效率。
通常情况下，大跨度预应力桁架结构干煤棚整体结构的分析可以按照线性分析考虑，即符合小变形假定，而实际上时候如此，选择京唐煤料场结构第8跨非线性分析结果和线性分析结果对比：非线性计算结果如下：跨中杆件内力弯矩最大处杆件内力跨中杆件内力弯矩最大处杆件内力跨中杆件内力弯矩最大处杆件内力杆件内力线性叠加：398.0-820.8=-422.8KN与非线性分析后的-415.2KN接近。
线性分析结果跨中杆件内力弯矩最大处杆件内力自重+预应力荷载下杆件内力值：跨中杆件内力弯矩最大处杆件内力的原理。
对比非线性工况和线性工况下，自重+预应力荷载下索力值：非线性工况索力值=984.1KN线性工况索力值=908.3 KN非线性分析下撑杆内力线性分析下撑杆内力由于撑杆本身压力就很小，所以非线性分析和线性分析的结果基本一致。
总结如下： 性分析的时候，没有考虑竖向恒荷载对结构刚度的影响，这部分影响通过竖向恒荷载工况单独来实现。
竖向恒荷载的作用会使得拉索受拉，提高拉索的刚度，减小拉索的收缩变形。
所以非线性分析下，拉索的预张力损失小。
这样导致跨中上下弦结构轴力值增大。
同样，由于拉索的张力大，导致拉索处下弦的拉力增大，进而导致整体结构最大弯矩处下弦压力值减小。
论文范文：大跨度门式刚架结构设计与分析
论文范文：大跨度门式刚架结构设计与分析第1章绪论1.1选题的目的和意义门式刚架顾名思义，是如同门一样的结构，它在国内外是一种比较常见的结构形式，而且应用非常广泛。
门式刚架本身的质量比较轻，结构不是很复杂，柱网布置较灵活，因此，其施工周期就会比较短，成本就可以很好的控制。
在1910年的德国布鲁塞尔专为世博会建造的机械工程展厅，采用了多层阶形布置的刚架结构，是早期典型的门式刚架结构；1932 年建成的德国埃森煤矿税收协会采用了门式钢框架结构。
门式刚架结构具有大跨度，可以应用于需要大空间结构要求的建筑，如单层厂房，人员较多的超级市场，储存大量物资的仓库等工业与民用建筑等，在很多方面门式刚架都具有很强的竞争力，而且有着很广阔的市场前景。
虽然门式刚架优点很多，但是在我国的钢结构建筑却发展的比较晚，直到1990年以后，钢结构体系才在我国的到了比较全面发展。
在单层厂房、超级市场、大型仓库中门式刚架得到大规模应用；多高层建筑也开始采用钢框架；传统钢结构维护构件质量大造价高，而近几年的薄壁彩钢板的应用大大改观了现状；钢管的交会焊接结构与拉索结构的结合一直延伸到了许多文化体育等社会公共建筑当中；冷弯薄壁型钢在当今建筑行业已被广泛应用，檩条就是其典型的代表，除了在维护构件方面得到应用，它也作为受力构件进行使用。
随着科技的进步和钢材的质量越来越高，一些发达国家看到了钢结构的重要性，而且也越来越重视。
我国的钢铁产业在得到快速发展的同时，也注意到了钢结构建筑的重要性。
自1996年以后我国的钢铁产量实现了飞跃式的成绩，达到并突破了一亿吨，而且在随后的七年里，一直位于世界钢铁产量的首位。
而在2000以后我国凭借钢产量是世界的0.23%的数据，成为钢消费大国。
进入到2004年，中国的钢铁产量已经是世界钢铁总量的25%，已经是1996年的将近三倍，达到了2.6亿吨。
中国钢铁业的这种从无到有，从有到丰富的这种大跨越发展，促使国家相继推出了有关发展钢材的制造，生产，安装的一系列技术政策。
钢结构设计中的非线性分析与优化
钢结构设计中的非线性分析与优化近年来，随着城市化进程的不断推进，高层建筑的数量与日俱增。
在这些高层建筑的设计与施工过程中，钢结构的应用愈发广泛。
相比传统的混凝土结构，钢结构具有自重轻、抗震性能好等优势，因此备受青睐。
然而，钢结构设计中的非线性分析与优化成为了当前研究的热点和难点。
钢结构设计中的非线性分析是指在考虑各种力的作用下，结构产生形变和破坏等非线性响应的研究。
与线性分析相比，非线性分析可以更加准确地预测结构的响应，从而为结构设计提供更加可靠的依据。
在钢结构设计中的非线性分析中，考虑的因素有很多，如材料的非线性、几何非线性、接触非线性等。
首先，材料的非线性是钢结构非线性分析的基础。
由于钢材的弹塑性行为，当结构受到极限荷载时，钢材会发生塑性变形，从而导致结构的非线性响应。
因此，在进行钢结构的非线性分析时，需要考虑钢材的本构关系，即应力-应变关系。
常用的钢材本构模型有弹性塑性本构模型、纤维模型等。
这些本构模型能够较好地描述钢材的非线性行为，从而提高分析结果的准确度。
其次，几何非线性是钢结构非线性分析中另一个重要的方面。
几何非线性是指在结构受力作用下，结构的形状发生变化。
这种几何变形可能会引起结构的刚度、荷载和内力等参数的变化，从而影响结构的稳定性。
因此，在进行钢结构的非线性分析时，需要考虑结构的几何非线性，即在计算过程中考虑结构的几何形状变化。
常见的几何非线性分析方法有几何刚度法、完整路径法等。
此外，接触非线性也是钢结构非线性分析中的重要内容。
在实际工程中，钢结构的构件之间通常是以接触的方式连接的。
当结构受到外力作用时，这些接触面可能产生相对位移，从而引发接触非线性。
针对接触非线性，目前常用的分析方法有有限元法、分离接触法等。
通过这些方法，可以较为准确地描述钢结构构件之间的接触行为，从而提高分析的可靠性。
钢结构设计中的非线性分析虽然能够提供更加准确的结果，但其计算量大、计算时间长、计算精度要求高等问题也不可忽视。
钢结构框架体系整体非线性分析研究综述_李国强
收稿日期:2002-03-22作者简介:李国强(1963-),男,湖南株州人,教授,工学博士,博士生导师.E-mail:gqli@钢结构框架体系整体非线性分析研究综述李国强,刘玉姝(同济大学建筑工程系,上海 200092)摘要:全面介绍了钢结构框架体系非线性分析方法的研究现状及发展趋势,讨论了影响结构整体极限承载力的各种非线性因素及其考虑方法,为实现钢框架结构的高等设计提供了理论基础.关键词:钢框架;非线性分析;极限承载力中图分类号:T U 393.2 文献标识码:A 文章编号:0253-374X(2003)02-0138-07State of Art of Non -linear Analysis for IntegralSteel Framed SystemsL I Guo -qiang,LI U Yu -shu(Department of Building Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,Chin a)Abstract :In this paper,the present research situation and development trend of nonlinear analysis approach for the design of steel frames are presented.In addition,the consideration of nonlinear factors influencing the g lobal ultimate capacity of steel frames is discussed.T he achievements on nonlinear analysis have formed a foundation for the advanced design of steel frames.Key words :steel frames;nonlinear analysis;ultimate capacity非线性分析方法[1~4]是目前建筑钢结构理论研究的一个热点.非线性分析,即在结构分析中充分考虑所有重要的非线性因素,从而可以对结构的实际失效模式进行综合而全面的评定,并直接获得结构的整体极限承载力.而进行非线性分析的目的,是为了将其应用到高等设计.这样,在结构设计中就可以摒弃构件计算长度和构件强度相关方程的概念,从根本上简化设计过程.正因为非线性分析方法对于钢结构分析和设计的重要性,近年来钢结构的非线性分析研究在国内外得到广泛的重视,并在平面钢架[5]、空间刚架[6]、空间桁架[7]、变截面门式刚架[8]、支撑[1]与无支撑刚架[2]、半刚性连接框架[9,10]、受局部失稳影响[11]和横向弯扭失稳影响[12]的钢框架研究方面取得了进展.在钢结构整体非线性分析方面,最近10年国内外学者提出了一系列适用于钢结构框架体系非线性分析的二阶非弹性分析模型,如精炼的塑性铰模型[13,14]、名义荷载塑性铰模型[15]、考虑塑性扩展的准塑性铰模型[16]、考虑构件板件局部失稳影响的伪塑性区模型[17]以及塑性区模型等[18,19].而且有些文献专门论述如何考虑塑性在截面上和杆长方向的扩展[13,16,20~26]、残余应力[4,18~20]、二阶效应[27~31]、初始几何缺陷[4,18,32~35]、弯曲效应[6,32,33]、荷载分布方式[27,28]、加载历程[36,37]、板件的局部屈曲[17,20]、弯扭失稳[6]、半刚性连接[38]、节点域剪切变形[22,39]等影响结构整体极限承载力的非线性因素.1 现有分析方法综述现有的钢结构框架体系非线性分析常采用两类非弹性有限元模型,即扩展塑性模型(塑性区模型)和第31卷第2期2003年2月同 济 大 学 学 报JOURNAL OF T ONGJI UN IVERSIT Y Vol.31No.2 Feb.2003集中塑性模型(塑性铰模型).1.1 塑性区模型(plastic zon e method)在钢框架结构非弹性分析中采用的塑性区模型常有以下两种:一种是基于塑性变形理论的三维壳单元模型[40],另一种是基于梁柱理论,先将构件沿杆长离散为若干段,再将每一段的截面划分网格[3].后一种塑性区模型包含两部分内容,一部分是标准的有限元方法,包括推导单元的控制微分方程和建立以节点位移为未知量的方程求解方法.一个单元可沿其长度按Gauss 积分的原则细分单元而得到更为精确的单元刚度矩阵.另一部分是单元的截面分析.截面在划分网格后,可以精细地考虑各种残余应力分布模式.截面内力可以由比较简单的积分方法,如Simpson 积分得到.这样,就可通过对截面网格点的应力应变进行分析和根据截面内力平衡条件,以及沿杆长积分得到构件的弹塑性刚度矩阵.第一种塑性区模型可同时考虑正应力和剪应力对塑性发展的影响,也可同时考虑整体初始几何缺陷和局部初始几何缺陷以及板件局部失稳等因素的影响,属于真正意义上的精确弹塑性分析方法[3],但运用此方法一般需要划分大量的三维壳单元和运用复杂的积分运算得到弹塑性刚度矩陈,因而它只适于小型结构分析,以及需要考虑结构诸如局部板件失稳等细部特性时采用.第二种塑性区方法目前只能考虑正应力,以及整体初始几何缺陷对塑性发展的影响,它对于紧凑截面构件具有很好的精度[3].采用塑性区模型可以准确地考虑各种残余应力和初始几何缺陷等非线性因素的影响.当离散程度较高时,一般可得到比较精确的计算结果.但是,由于计算量太大,目前塑性区法主要用于经典算例的计算和制定规范曲线,很少用于实际工程结构分析.1.2 塑性铰模型(plastic hinge method)1.2.1 简单塑性铰模型(sim ple plastic hing e m ethod)塑性铰模型也称集中塑性模型.简单的塑性铰模型是基于塑性集中于杆端的假定,认为单元中除了两端可以形成塑性铰外,其它部分是完全弹性的,因而不能考虑塑性在截面上的扩展以及由于残余应力引起的沿杆长方向的塑性分布.塑性铰法可以分为一阶方法和二阶方法.一阶塑性铰法忽略了几何非线性的影响,用这种方法得到的结构极限承载力与刚塑性方法的结果相同;二阶塑性铰方法同时考虑了几何和材料非线性的影响.对于长细比较大的构件(其极限状态处于弹性状态),采用二阶塑性铰方法可得到很好的结果.而对于长细比较小的构件(其极限状态已出现弹塑性现象),运用二阶塑性铰方法会过高地估计结构的强度和刚度.正因为简单塑性铰模型不能胜任精确的钢框架结构高等分析,因而有必要改进这种方法,以使之适用于更广的范围.1.2.2 准塑性铰模型(quasi-plastic hinge method)准塑性铰模型是一种介于塑性区模型和塑性铰模型之间的方法.这种模型考虑了塑性沿杆长方向的分布,但无需将构件沿杆长方向离散以及在截面上划分网格,而是通过积分求出构件的柔度系数,再考虑几何非线性得到构件的刚度矩阵.文献[16]建立了准塑性铰模型的二维单元增量刚度矩阵.此单元基于拟合用塑性区法得到的截面弯矩)曲率)轴力关系,考虑了截面的逐步塑性.单元的柔度系数是通过沿杆长方向的连续积分得到的,进而得到了单元的非弹性增量刚度矩阵.文献的算例表明该方法具有良好的精度.但由于该方法的推导是基于柔度关系,故很难将其推广到三维单元.此外,虽然该方法无需在单元两端的截面划分网格,但在构件的长度方向仍需要细分单元,因此,计算效率仍然不是很高.1.2.3 名义荷载塑性铰模型(notional-load plastic hinge method)为了避免在简单塑性铰方法中过高地估计结构的承载力,同时,也为了能在简单的线弹性分析的基础上方便地考虑初始几何缺陷等非线性因素的影响,有研究者[15]提出了名义荷载塑性铰模型.名义荷载塑性铰模型人为地在结构或构件中施加额外的名义横向荷载,以考虑残余应力、初始几何缺陷、截面逐步塑性等非线性因素对结构承载力的不利影响[15].文献[15]中,对于有侧移钢框架,在柱顶位置补偿的名义横向荷载大小等于竖向荷载总和的0.5%.而对于无侧移支撑钢框架和钢构件,为补偿初始几何挠度的影响在杆中位置施加的名义横向荷载等于构件所受轴力的1%.名义荷载塑性铰模型的最大优点是简单.目前欧洲规范EC3[41]和澳大利亚规范AS4100[42]都允许将这种方法作为钢框架结构的高等分析方法.然而,该方法并非可适用于各种钢结构或构件,例如文献[16]在分析单独的梁柱时,名义荷载塑性铰方法可能产生大于精确值10%的误差.1.2.4 弹塑性铰模型(elasto-plastic hinge method)139 第2期李国强,等:钢结构框架体系整体非线性分析研究综述140同济大学学报第31卷文献[13,22,23]将Giberson提出的端弹簧模型加以完善和发展,提出了弹塑性铰模型.该模型的核心思想是单元端部转角总包含弹性转角和塑性转角,塑性转角仅与本端弯矩有关.运用弹塑性铰模型可以考虑单元端部截面的逐步塑性,材料强化的影响以及卸载效应,可方便地应用于钢框架结构的静力和动力分析[13,23].在该模型中,单元端部塑性发展程度可用一个弹塑性铰参数A i(i=1,2)来表征,A i(i=1,2)是截面上的弯矩、杆端轴力N作用下截面的初始屈服弯矩和极限屈服弯矩以及材料应变强化系数的函数.1.2.5改进的塑性铰模型(modified hinge method)文献[24,43]提出了改进的塑性铰模型(modified hinge method)和强化塑性铰模型(hardening plastic hinge method).该模型通过调整截面初始屈服后不断降低的切线刚度,来考虑单元两端截面的逐步塑性.所用的表示截面塑性发展程度的参数与弹塑性铰模型在静力单调加载时定义的参数非常类似.应该指出的是,强化塑性铰模型并非考虑了材料强化的影响,而是指截面初始屈服后刚度的不断降低.1.2.6精炼塑性铰模型(refined plastic hinge method)与简单塑性铰模型相比,精炼塑性铰模型主要引入了切线模量和弯曲刚度降低系数两个概念[24].引入切线模量是为了考虑当构件所受轴力较大时残余应力对塑性区沿杆长方向分布的影响.切线模量的计算可通过精确的柱子强度公式得到,比如考虑残余应力影响的CRC柱子强度公式[44]和同时考虑残余应力和初始几何缺陷影响的LRFD柱子强度公式[45].同前面的方法类似,在精炼塑性铰模型中,引入弯曲刚度降低系数的目的是考虑单元两端截面的逐步塑性.在此模型中,弯曲刚度降低系数具有二次抛物线形式,并满足LRFD梁柱轴力)弯矩强度相关公式以及初始屈服面方程定义.在钢框架高等分析中,由于采用LRFD柱子强度公式得到的切线模量的精度不如采用CRC柱子强度公式相应的切线模量,而CRC柱子强度公式没有包含初始几何缺陷的影响.因而为了在精炼塑性铰模型中方便地计及初始几何缺陷的影响,可以进一步降低切线模量(乘以降低系数0.85).精炼塑性铰分析方法只需花费简单塑性铰分析方法的计算时间,便可得到接近塑性区分析方法精度的结果,而成为效率与精度兼备的、符合工程应用需要的分析方法,是当前钢框架结构高等分析中应用最多的方法.1.2.7伪塑性区模型(pseudo plastic zone method)由于非紧凑截面钢框架结构具有良好的经济性,而且构件截面在发生局部失稳后还有相当可观的屈曲后强度,因而有必要在钢框架结构的高等分析中考虑板件局部失稳的影响.为了在精炼塑性铰模型中考虑板件局部失稳的影响,澳大利亚的学者通过对一系列短梁柱的三维壳单元塑性区分析,对精炼塑性铰模型进行了改进,提出了伪塑性区模型[17].该方法提出了整体几何缺陷降低系数,改进的稳定函数以及分别考虑轴向和弯曲的切线模量等一系列新概念.在该模型中,整体几何缺陷降低系数被定义为竖向/水平荷载比P/H、初始横向挠度$i以及横向挠度$的函数,并将切线模量分为轴向切线模量E ta和弯曲切线模量E t f两个概念进行定义.轴向切线模量E ta以无因次化的形式,直接出现在单元的增量刚度矩阵中,影响单元的轴向刚度.而弯曲切线模量E tf将用于调整影响弯曲刚度的稳定函数和弯曲刚度降低系数.单元弯曲刚度降低系数在伪塑性铰模型中被表示为端弯矩比的函数.除了引入这些新概念之外,伪塑性区模型中采用的截面初始屈服面方程、极限屈服面方程、切线模量概念等都计及了构件板件局部失稳的影响,并在切线模量的计算中考虑了板件局部几何缺陷的影响.2若干非线性因素处理方法综述2.1塑性扩展塑性在截面上和杆长方向的扩展完全可以通过塑性区法来考虑,但是鉴于塑性区法很少用于工程结构的分析,故需要能在塑性铰法中考虑这个非线性因素.简单塑性铰模型因其零长度塑性铰的假定而无法考虑塑性在截面和杆长方向的扩展,因此很多学者在这方面进行了研究和改进.在考虑塑性沿截面的扩展方面,文献[13,22,23]提出了弹塑性铰模型;文献[24]提出了强化塑性铰模型;文献[25]则提出了一个引入弹簧概念的方法,即当一些单元中某些特定点的弯矩超过弹性抗弯承载力时,对该处的连接弹簧刚度进行折减来模拟抗弯承载力的衰减.对于塑性既沿截面扩展又沿杆长扩展的考虑方法中,精炼塑性铰模型[14]和准塑性铰法[16]是相对比较成熟的两种方法.另外,文献[21]提出了一种用于框架非线性分析的可以考虑材料分布塑性的非迭代柔度法.该方法基于完整假定得出力和变形的关系,并使用数值规划技术,只进行一步加载而无需迭代.算例表明该法具有很高的精度和效率.2.2 残余应力文献[46]论及了残余应力对钢构件的极限承载力的影响,并指出该影响占的比例很大,对低碳钢轴压构件极限承载力的最大影响可达17.5%.对于残余应力的影响,文献[46]在弹性阶段采用的是列微分平衡方程求解析解,在弹塑性阶段则采用数值分析法来处理,将构件沿杆长分段,沿截面分成若干单元,逐级增加荷载,求得各级荷载下的平衡,得到压杆的荷载)位移曲线,从而得到压杆的极限承载力.残余应力对钢结构框架体系极限承载力的影响可以通过精确的塑性区法来考虑[18~20].对工字型截面的残余应力分布模式,建议采用ECCS 的规定[18].文献[19]给出了方钢管截面的残余应力分布模式;文献[20]给出了工字型截面和方钢管截面的残余应力分布模式.在塑性铰模型中,文献[4]提出了切线模量概念来考虑构件中的残余应力.切线模量的计算可通过精确的柱子强度公式得到,比如考虑残余应力影响的CRC 柱子强度公式[44]和同时考虑残余应力和初始几何缺陷影响的LRFD 柱子强度公式[45].2.3 二阶效应论述二阶效应的文献很多[4,14,18,27~31,36,38],基本做法都是在单元的刚度矩阵中包含了轴力的影响,从而得到几何刚度矩阵来考虑二阶效应.文献[29]分别基于total lagrange(TL)和updated lagrange(UL)描述导出了刚架问题几何非线性分析的有限元公式系统,并研制了相应的计算机程序.该文分析表明:T L 法仅适用于杆件较小或中等程度转动的情况.此外单元的划分、杆件中轴向力的大小、应变)位移关系中轴向位移导数二次项的取舍以及积分方法的选用,均可能对上述非线性有限元方法的适用性或分析精度产生重要影响.文献[30]根据卡氏定理推导出伯努力梁在TL 下的几何非线性割线刚度矩阵与切线刚度矩阵的显式,并将二者统一起来.文献[31]提出了一种新单元,该单元能以统一形式同时用于轴力为拉和压的情况,并在大轴力的范围内有较高的精度.2.4 初始几何缺陷文献[46]指出构件中的初弯曲和初扭转等初始几何缺陷对轴压构件的极限承载力影响很大,其中初弯曲的最大影响可达45%;初始几何缺陷对压弯构件的极限承载力影响也十分显著.对于初始几何缺陷的影响,文献[46]采用的是和处理残余应力一样的处理方法.初始几何缺陷对钢结构框架体系极限承载力的影响可以采用精确的塑性区法来考虑[18],文献[18]建议采用ECCS 的规定.文献[6,32,33]在建立单元平衡微分方程时,单元的初始位形就是带有初始几何弯曲的梁单元,假设此初始几何弯曲沿单元长度为一个正弦半波分布,从而在单元的刚度矩阵中考虑初始几何缺陷的影响.文献[34]使用传递短阵法(transfer matrix method)得到薄壁构件的失稳模式,利用非等参退化壳单元进行稳定分析,并采用带有初始缺陷的U 型、箱形以及工字型构件作为数值算例,分析了初始缺陷对薄壁构件极限承载力的影响.文献[4]提出了用LRFD 柱子强度公式[45]得到的切线模量来同时考虑构件中的残余应力和初始几何缺陷.或者使用CRC 柱子强度公式[44]来考虑残余应力,采用进一步降低切线模量(乘以降低系数0.85)的方法来考虑初始几何缺陷.文献[1,2]提出了3种考虑初始几何缺陷的方法:¹精确缺陷建模法;º等效名义荷载法;»切线模量再度折减法.该文指出3种方法精度相差不多,和精确的塑性区分析结果相差不超过5%.但是最简单实用的方法是第3种方法.文献[35]讨论了具有几何缺陷结构的非线性描述,以理想位形为参考位形,引入总位移、总应变等概念,推导出具有几何缺陷结构的Green 应变张量的一般表达式.2.5 弯曲效应文献[6,33]在建立单元平衡微分方程时考虑了弯曲效应的影响.利用弯曲函数来考虑由于弯曲缩短而引起的杆件轴向长度的变化.分析表明,弯曲函数随轴力的变化有很大的变化,故对单元有较大程度的影响.2.6 荷截分布及加载历程文献[27]建立了一种高效的单元,用来考虑单元刚度和杆件荷载间的相互作用,使用该方法可将一个杆件只划分为一个单元.分析表明,当杆件上的分布横向荷载用节点荷载等效时,结构的非线性反应有很141 第2期李国强,等:钢结构框架体系整体非线性分析研究综述142同济大学学报第31卷大程度的不同.既然工程上常见的活荷载、风荷载以及重力荷载都是作用于杆件上的分布横向荷载,使用这种单元来考虑杆件荷载是非常必要的,且能广泛成功地用于实际工程分析和设计.文献[28]在文献[27]的基础上更进了一步,不仅考虑了沿杆长分布的横向荷载,还考虑了沿杆长分布的轴向荷载的影响,该文指出其所提出的单元可以自动包括沿杆长变化的轴向荷载的影响,从而使结构的二阶分析更加准确.文献[36]指出,许多高等分析方法都是研究结构同时在竖向荷载和水平荷载作用下的反应,但在实际结构中,通常是先施加竖向荷载,再施加水平荷载,即为顺序加载.因而这些非线性分析方法都会在某种程度上低估了结构的承载力.该文引入双模量的概念,考虑了因顺序加载引起的结构应变回缩效应,从而能够更加真实地评价结构的承载能力.文献[37]论述了非比例加载对无支撑框架的稳定承载力的影响,比例加载是基于层失稳的概念,其加载模式是预先定义好的,而非比例加载的加载模式是未知的,因此对应于不同的荷载模式就会有不同的临界失稳荷载.文中指出,比例加载模式下的临界承载力介于非比例加载模式下得到的最大和最小临界承载力之间,临界承载力的大小取决于梁柱连接的刚性程度,即梁对柱的转动约束程度.研究表明,在柔性框架中,尤其是有很多铰接连接的柔性框架(例如具有摇摆柱的柔性框架)中,非比例加载得到的最大临界承载力和最小临界承载力相差很大,所以对于这种结构,进行非比例加载模式下的结构稳定性能分析是非常必要的.2.7板件的局部屈曲研究薄壁结构局部与整体相关失稳的方法包括数值计算法和近似法两类。
大跨度钢结构关键问题分析与研究
大 跨 度 钢 结 构 关 键 问题 分 析 与研 究
张春 霞
（ 河北省 张家 口市建筑设计 院有 限责任公 司，河北 张家 口０ ７ ５ ０ ０ ０ ）
摘 要 ：本 文从 大跨钢结构的特点入手 ，从大跨钢结构的稳定 问题、防腐 问题、防火 问题等方面 ，阐述 了当前大跨钢 结构存在 的问题
引 言
一
工程实践表 明，许多大跨结构从传统 的结构形式很难予 以 界定 ，纯粹 单一的结构形式很少见 ，常是多种类型 的组合体 ， 很难直 接推测其可能的失稳状态。从结构屈 曲前 的变形特点来 分 析 ，可以判别一个结构是分叉型失稳还是极值 型失稳 。分叉 型失稳 的结构在屈 曲发生前 ，它的构件 的变形主要表现为轴 向 压 缩变形 ，从整个结构宏观反应来看 ，这种变形非常微小 ，甚 至可以忽略 ，屈 曲前荷载一位移 曲线基本上是直线 ；屈 曲后 ， 结 构将 突然变柔 ，变形快速发展 。极值型失稳 的结构 ，无论杆 件 还是结 构体系 ，其刚度都是随荷载 的施加逐渐变小 ，屈 曲发 生前结 构会 产生明显 、不可忽略的变形 。
关 键 词 ：钢 结 构 ；大跨 稳 定 ；防 火 防 腐
中图分类号 ：Ｔ Ｕ３ １ １ ． ４
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１ ６ ７ １ － ３ ３ ６ ２（ ２ ０ １ ３）０ ２ － ０ ０ ０ ６ － ０ ２
呈 明显弯 曲的非线性 曲线 。 ． ３进行简单模型及非线性分析 随着我 国经济建设 的蓬勃发展 ，网架 、会堂 、剧 院等 大型 １ 公共建筑 以及不 同类型的工业建筑获得 了广泛应用 。同时我 国 大跨空间结构 ，由庞大数量杆件组成 ，即使简化的结构模 大跨钢结构也得到 了广泛 的发展和应用 。大跨钢结构 的形式逐 型 ，其 自由度也成千上万 ，非线性反应特征明显 ，在进行结构 渐多样化 ，技术 日益成熟 ，尤其是 预应力技术 和新材料 的应用 构件设计 之前 ，有必要用有限元方法对结构进行精确的非线性 进一步推动 了大跨钢结构 的发展 。在发展 的同时 ，大跨钢 结构 数值分析。采用有限元分析的结果可靠与否 ，取决于结构设计 存在一些共性的 问题 ，值得我们进一步关注 。 人员是否采用了合理的分析模型 。只有建立在定性分析结构反 １结构稳定问思 应的基础上 ，才能确定合理的数值分析模型 ，同时 ，这些特点 大跨 钢结构在进 行稳 定分 析与设计 时 ，要求 结构分析和设 又可以作为有限元分析结果是否可靠的一个评判依据 。这一点 计人员对整体稳定 的基本 概念 、失稳 的类 型及产 生失 稳的原因 不论对线性分析还是对涉及到非线性 的稳定分析都是永远成立 予 以预见 ， 才 能在工 程实践中 ， 运 用正确的计算方法 ，采取合 的 。此外 ，从非线． 眭分析技术本身来说 ，要准确把握结构非线 理 的计算模 型 ，避免采用错误 的推论 ，得到安全可靠的工程成 性反应 的特点 ，对结构分析 的类型 、非线性分析 的有 限元列式 果 。以下是 在大跨钢结构稳定分析 ，常见 问题 。 及数值求解方法作 出合理 的选择 。所 以 ，大跨结构 的非线性分 析应从简单模型开始 ，使结构分析人员对结构 的非线性特性有 １ ． １ 临界荷载的近似估计 在设计 的初步阶段 ，结构设计 人员要根据 以往设计经验和 个初步 的了解 。在此基础上 ，采 用合理 的分析模 型和计算方 拟定结构类型 ，预先假定拟建结构 的临界荷载值 ， 大跨空 间结 法 ，逐步细化分析模型 ，直至计算结果达到满意程度为止 。 构 首先应考虑稳定问题 ，因其结构反应呈非线性特性 ，因此 只 ２防腐问题 能通过简化模型进行分析 ，对结构 的临界荷载作 出近似估计 ， 钢结构具有轻质高强 、塑性韧性好 、材质均匀 、工作 可靠 确定临界荷载 。可采用刚度等效 的原则 ，计算结构失稳 时的内 性 高 ，适用 机械 化加 工 ，工业 生产程度 高 ，施工周期短以及密 力 及确定失稳状态 ，合理 的临界荷载近似值是有效 的确定结构 封 胜能好等 优点。但 是 ，易腐蚀是 钢结 构的致命 缺点之一 ，钢 类型的首要条件 。 结 构一旦被腐蚀 ， 其强度 、塑性等主要 力学性能指标 显著下 降 ， 简化模 型的计算杆件数量 比工 程实际构 件数 量少 ，因此简 严 重地降低 了钢结构构件 和建筑物 的安全性 和耐久性 。 当钢材表面与环境介质发生各种形式的化学作用时 ，锈蚀 化模型可 以验证结构体系是否稳定 ，及确定 主要受力杆件 的应 力分布情况 ，从 而确定结构体 系采 用是 否合 理。对于实际每一 就不可避免 。 个杆件 的应力研究 和计算 ，须 在验证 了结构 稳定后 ，采用分解 ２ ． １ 钢 结构 锈 蚀 的种 类 和有限元法等计算方法予 以确定 。 钢材 由于和外界介质相互作用而产生 的损坏过程称为 “ 钢 １ ． ２预 测 结 构 失 稳 类 型 材 的锈蚀” 。钢结构 的锈蚀按其作 用可分为以下两类 ： 设 计人员在设计的方案制定阶段 ，应预见性 的判别结构方 化学腐蚀是 指钢材直接 与大气或工业废气 中含有 的氧气质 案 的失稳类 型 ，判 断结构 的破 坏类 型是突发的脆性破 坏还是有 液体发生表面化学反应而产生的腐蚀。 电化学腐蚀 是由于金 属内部有其 它金属 杂质 ，他们具 有不 预兆 的延性 破坏 ，有无破坏荷载的安全储备 ，以及引起失稳 的 主要 因素。据此从候 选方案中 ，选择性能优越的结构体系进行 同的电极 电位 ，在与 电解质 、水或潮湿气体接触 时 ，产生原电 下 一步的计算 分析 。若对结构进行精确 的非线性分析 ，能够定 池作用 ，钢材腐蚀 。 性 的预测结 构的可能失稳类型 ，将对非线性分析数值模型和分 实际工程 中，绝大部分钢材锈蚀是电化学腐 蚀或电化学腐 析方法 的选择提供有 益的概念指导 。 蚀与化学腐蚀共 同作用 的结果 。
大跨度钢结构非线性分析论文
大跨度钢结构非线性分析研究【摘要】随着现代计算机技术和结构计算理论的发展，钢结构高等分析法被应用到结构设计中，高等分析法是考虑了结构的非线性响应、各种缺陷以及其他影响结构承载能力的因素，通过对结构进行一次全过程的整体分析研究结构的响应。
本文对结构非线性分析理论进行了研究，并通过具体的算例验证了非线性分析在工程中的应用。
【关键词】钢结构；非线性；有限元1 前言钢结构具有材料强度高、塑性韧性好、重量轻、材质均匀、工业化生产程度高等优点，目前在国内外的工程建设中得到了越来越广泛的应用。
由于钢材强度高，构件一般板件较薄，长细比大[1]，更容易出现失稳现象，同时，耐腐蚀性差、高温下容易软化、在低温下容易发生脆断等，导致了钢结构事故的发生。
对于大型公共建筑，结构体系复杂，设计难度高，投资大，人员密集，因此对其安全性要求极高。
传统的钢结构设计采用的是两阶段设计法，第一阶段是按线弹性理论计算结构内力，第二阶段是进行构件设计，通过计算长度系数考虑构件之间的影响，然后按照规范对构件进行单独验算和设计，通过计算长度系数考虑构件之间的相互影响。
目前各国规范基本都采用两阶段设计法，但该方法也有一定的不合理性，如结构的内力分析模式与构件承载力计算模式不一致、不能考虑内力重分布等等。
因此，结构设计若仅进行强度、稳定性、刚度进行计算和验算，无法保证其可靠性，不能满足现代结构设计的需求，必须发展对结构进行非线性分析和设计的方法。
2 非线性理论从本质上讲，工程中所有的力学问题都是非线性的[2]，一些经典的力学理论都是对实际问题基于某些假定的简化处理，如小变形假定、线性弹性假定、边界条件保持不变假定等，不满足上述假定中的任意一种假定，就产生非线性现象。
一般地，力学中的非线性问题包括三类：（1）几何非线性。
在小变形假定下，通常是在未变形的结构上建立平衡。
当结构在荷载作用下产生较大的变形，小变形假定不成立，就必须考虑几何非线性的影响，平衡应建立在结构变形后的构形上，考虑内力的二阶效应，几何方程应包括位移的高阶项。
大跨钢结构施工力学研究发展现状
大跨钢结构施工力学研究发展现状大跨钢结构施工过程的复杂性决定了施工力学分析的必要性。
我们系统地梳理了施工模拟普遍遇到的难点，以及当前的解决方法，指出了尚需研究的若干问题。
近些年随着经济水平的发展，建筑形式呈现出多样化的发展趋势，为了追求强烈的建筑效果，以及实现一些特殊的建筑功能，愈来愈多的建筑突破原有模式而日趋复杂，这对结构施工与跟踪模拟带来挑战。
在施工过程中，空间结构从无到有、从单根杆件到局部成形再到完整结构，整个体系的形态、荷载、边界条件不断变化，呈现出结构时变、材料时变和边界时变的特性，其“路径”和“时间”效应直接影响施工阶段及使用阶段结构的受力性能。
大跨钢结构施工过程的时变性要求设计者不但要考虑设计结构本身，同时需要研究不同施工阶段内力与变形的相互影响，对施工过程中结构及工程介质的分析，形成了与工程建设密切相关的新的工程力学学科分支——施工力学。
施工力学是力学理论与土木工程学科相结合的产物，研究的对象为施工过程中不断变化的结构系统，包括结构内部参数(如几何形状、物理特性、边界状态等)以及外部参数(如施加的荷载、环境温度)，因此施工力学是以物性为基础，耦合了时间与空间的多维力学问题。
大跨钢结构施工分析必要性与目标随着经济的发展，工程建设进一步向大型化、复杂化发展，建成了一批体型复杂的大跨钢结构或混合结构，如中央电视台新台址主楼、西班牙马德里“欧洲之门”双斜塔、浦东机场航站楼、国家大剧院、国家体育场鸟巢等。
这些复杂建筑的几何、材料和边界等条件在施工过程中往往存在着剧烈的变化，竣工时荷载作用下所产生的内力和变形由各施工步效应依次累积而成，其最终的大小与分布规律与实际施工过程密切相关。
同时，在结构建造的某些阶段，需要增加支持体系与可变结构组成一个共同工作的系统，这时支持系统的支撑与拆卸影响到整个结构的作用效应，因此若不考虑施工过程的影响而采用一次成形的设计方法，就会与实际情况产生差别，对大型复杂结构而言尤为明显，可能会在施工过程中由于部分结构强度破坏、刚度退化或稳定性失效造成整个结构的坍塌，也可能会使竣工状态下的结构内力或变形未达到设计状态的合理要求，而造成较低的安全储备。
大跨度建设下的钢结构设计研究
、
一
载 下 使 用 ，同 时要 对 承载 力 系数 进 行 合 理 的 确 定 ，保 证 钢结 构 在 运 行 的过 程 中 有 一定 的承 载力 储 备 ； （ ３） 在 钢 结构 的 延 性 设 计 中 还 有 一个 重要 的设 计 指 标 就 是 变 形 比例 系 数 ，其 能 保 证 钢 结 构 在 运 行 的过 程 中有 足 够 的变形 能力 储备 。 通 过 分 析 可 以 看 出 ，大 跨 度 建 设 下 的 钢 结 构 的 设计 中 ， 主要 的设 计 思 路 就 是 对 体 系 中 的 非 线性 材料 、几 何 非 线 性 等 进 行 计 算 分 析 ，得 到荷 载 与应 力 、应 变 及 位 移 表 示 的 全过 程相 关 曲线 ，从 中 得 到 钢 结 构 的 破 坏 变 形 、屈 服 变 形 、破 坏 荷 载 、屈 服 荷 载 等 各 种 性 能 参 数 ，并 进 行相 关 的安 全 设 计 性 能 控 制 指 标 的 分 析。 ３ 材料 及几 何非 线性 的计 算 在 大跨 度 建 设 下 的钢 结 构 的 设 计 发 展 过程 中 ，不 断 的 采 用 新 技 术 及新 型 的 高 强度 材 料 ，这 使 得 在 建 设 的 过 程 中 能 够 达 到越 来 越 大 的跨 度 ，且 建 筑 物 的重 量 也 在 逐 渐 的减 轻 ，在 钢 结 构 到 达 响应 的屈服 荷 载之 前 ， 能够 具有 较 大的 变形 ， 表 现 出一 定 的几 何 非 线 性 性 质 ，因 此在 进 行 大 跨 度 建 设 下 的 钢 结 构 的 承 载 力分 析 时 ，必 须 要 考 虑 到 其材 料及 几 何 非线 性 性 质 ，为 了确 定 钢 结 构 在极 限 载荷 的 作 用 下 的相 关 工 作 状 态 ，通 常会 在 分 析 中借 助 于 有 限元 方 法 对 钢 结 构 的 大位 移 弹塑 性 全 过 程 进 行 分 析 ，在其 全 过 程 中 的计 算 与 分 析 过 程 中 ，常用 的通 用 有 限 元 计算 软件 有 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 、Ｓ Ａ Ｐ ２ ０ ０ ０等 。 二 、钢 材 的延伸 率 与强屈 比的计算 在 大 跨 度 建 设 下 的 钢 结构 的各 种 设 计 标 准 中可 以看 出 钢 材 的延 性 能力 主要 包 括两 方面 的性 能 ， 即延 伸率 和 强屈 比。 钢 材 是 一 种 弹 塑 性 性 质 的 材 料 ，在 理 想 的状 态 下 ，钢材 的塑 性 应 变 足 以满 足 钢 结 构 设 计 所 要 求 的 变 形 能 力 ，但 是 在 实 际 的应 用 中 ，钢 结 构 的破 坏 不 可 能 是 纯 塑 性 的 破 坏 ，通 过一 系列 的 实 践表 明 ， 对 于用 于钢 结 构 的 塑性 设计 的钢材 来 说 ，
钢结构的几何非线性分析
钢结构的几何非线性分析在结构工程设计与研究中，几何非线性分析是一项重要的任务，特别是在钢结构的设计过程中。
钢结构的几何非线性分析考虑了结构形变和位移的影响，以更准确地评估结构的性能和稳定性。
一、概述钢结构通常由大量的钢材构件组成，这些构件经受荷载作用后会发生形变和变形。
当荷载作用超过结构的弹性极限时，结构材料开始发生非弹性变形，即产生塑性变形。
这种塑性变形会导致结构的刚度和稳定性发生变化，因此在设计过程中必须考虑几何非线性效应。
二、几何非线性分析方法1. 大位移理论大位移理论是几何非线性分析的基础理论之一。
它考虑了结构在受荷载作用下发生的大位移和大变形，能够更真实地模拟结构的实际响应。
大位移理论通过引入非线性应变和非线性应力来描述结构的变形情况，从而得到更准确的分析结果。
2. 几何非线性有限元分析几何非线性有限元分析是常用的计算方法之一。
该方法将结构离散化为有限数量的单元，并在每个单元内考虑非线性效应。
通过求解非线性方程组，可以得到结构的位移和应力分布，从而评估结构的承载能力和稳定性。
三、应用领域钢结构的几何非线性分析广泛应用于工程实践中。
以下是一些典型的应用领域：1. 结构稳定性分析钢结构在受到外部荷载作用下，可能发生稳定性失效。
几何非线性分析可以考虑结构的大位移和大变形，并通过评估结构的临界载荷以判断稳定性。
2. 构件受力分析在实际工程中，钢结构的各个构件可能存在复杂的荷载作用，如弯曲、剪切和扭转等。
几何非线性分析可以考虑这些复杂的受力情况，从而准确评估构件的受力性能。
3. 地震响应分析钢结构在地震荷载下会发生较大的位移和变形，甚至可能发生破坏。
几何非线性分析可以模拟结构在地震作用下的响应，评估结构的安全性。
四、结论钢结构的几何非线性分析是设计和评估钢结构性能的重要手段。
通过考虑结构的大位移和大变形效应，可以更准确地预测结构的响应和稳定性。
在实际工程中，几何非线性分析应用广泛，涵盖了结构稳定性、构件受力分析和地震响应分析等方面。
基于性能的大跨度钢结构设计研究
供 参 考资 料 。
关键 词 ： 大跨 度 钢结 构 ； 安 全 控制 指标 ； 设 计方 案参 考
引言
标。
纵观全球 大跨度空间结构发展趋势而言， 大跨度钢结构的需求量随着社 （ 一） 铜构 件 承载 能 力研 究 会 经 济 的快 速发 展 而不 断 地增 大 。和 其他 钢结 构 的设 计 形 式一 样 ， 大跨 度 钢 在工程设计过程中 ， 采用几何非线性分析的体系稳定承载力应该在设计 结构在设计过程 中主要考虑的也是结构体系 、 构件以及节点等设计问题 。但 ． ４ 倍 以上 。采 用 的双 非 线性 分 析 的体 系 稳定 承 载能 力 应该 在 是 大 跨 度 钢结 构 在 设计 研 究 过程 中 ， 依 然 存在 着 许 多 的技 术 问 题 ， 如 大跨 度 承载 标 准值 的４ ． ５ 倍 以上 。 同时 ， 对 比研 究 分 析体 系 屈 服荷 载 系数 、 钢 结 构 的跨 度并 没 有 一个 统 一 的 尺度 标 准 ，这 就 要 求设 计 技 术 人 员规 范 设 工程 设 计荷 载 标 准值 的２ 计， 提 出明确 的大跨度钢结构计算分析理论和研究设计 方案 ， 以便筹划建设 破坏荷载系数的大变形值对应的荷载系数 ， 体系稳定承载力系数则取三者中 采取结构体系破坏荷载和设计荷 更大 、 更高、 更长 、 更为复杂的结构模式的结构物 ， 用来满 足人们在空间生活 的小值。大跨度钢结构体系弹性小形能力 ，
钢结构的非线性分析
钢结构的非线性分析钢结构作为一种重要的结构形式，在建筑和工程领域被广泛应用。
而在设计和分析这类结构时，非线性分析是不可或缺的一部分。
本文将围绕钢结构的非线性分析展开讨论，并就该主题进行全面的阐述。
一、引言钢结构的非线性分析是指在考虑结构材料和结构构件在受荷过程中的非线性特性的条件下，对结构的变形、承载力和稳定性进行分析。
与线性分析相比，非线性分析更为精确，能够更好地反映实际结构的力学行为。
因此，在实际工程设计中，钢结构的非线性分析具有重要意义。
二、非线性分析的类型1. 几何非线性分析几何非线性分析是指在受荷过程中，结构的几何形状发生较大变形时的分析方法。
在传统线性分析中，通常假设结构的变形是较小的，而几何非线性分析则能更准确地考虑结构变形对力学特性的影响。
2. 材料非线性分析材料非线性分析是指考虑结构材料在受荷过程中的非线性特性进行的分析。
钢材的应力-应变曲线在高应力水平下表现出明显的非线性特性，材料非线性分析能更真实地模拟实际情况，确保结构的安全性。
3. 接触非线性分析钢结构中的接触问题也是需要考虑的一个重要方面。
接触非线性分析是指在考虑结构构件之间接触和摩擦时进行的分析。
通过准确分析接触问题，可以更精确地确定结构的承载能力和变形情况。
三、非线性分析的数值方法为了实现钢结构的非线性分析，需要借助于数值计算方法。
目前常用的数值方法包括有限元法、非线性弹性法和塑性铰接法等。
1. 有限元法有限元法是一种将结构划分为许多小单元，通过对这些小单元的力学特性进行分析，再综合考虑整体的力学性能的分析方法。
对于钢结构的非线性分析，有限元法能够较准确地考虑结构材料和几何的非线性特性。
2. 非线性弹性法非线性弹性法是基于弹性理论的扩展，通过引入非线性材料的应力-应变关系进行分析。
该方法适用于分析较小变形下的结构非线性行为。
3. 塑性铰接法塑性铰接法是一种将钢材的塑性行为简化为铰节点模型的分析方法。
通过确定铰节点的位置和性能，可以快速而准确地分析钢结构的非线性特性。
大跨度房屋钢结构设计与分析
大跨度房屋钢结构设计与分析摘要：当今社会经济飞速发展,人民生活水平日益提高,世界各国纷纷筹划建造更大、更高、更长的各种超大型复杂结构物。
来满足人们对生活空间的追求。
大跨度房屋钢结构设计是经济和社会发展的需要。
本文介绍了大跨度钢结构设计的现状和大跨度房屋主要的钢结构划分，分析了大跨度房屋钢结构的设计要点。
关键词：大跨度，房屋，钢结构，设计要点引言与其他材料的结构相比,钢结构具有材料强度高、结构重量轻;结构的塑性韧性较好;钢结构的制造简单施工周期短等优点。
我们在进行钢结构设计时,应当从工程实际出发,合理选用钢材,选择高强度、具有较好经济指标的钢材;在结构方案选择上,应尽可能采用标准化、模数化的结构布置;在连接设计中,应选用构造简单、传力直接的节点形式,并应满足构造要求;另外,在钢结构设计中,还应保证钢结构在加工、运输、安装和使用过程中的强度、刚度和稳定性要求,并应针对钢结构的实际,满足防火、防腐的要求。
宜优先选用通用的和标准化的结构和构件,减少制作、安装工作量。
一、大跨度钢结构设计的现状与设计其他形式的钢结构一样，大跨度钢结构设计主要解决结构体系设计、构件设计及连接节点设计等方面的内容。
与其他形式钢结构不一样的是，大跨度钢结构体系几何与材料非线性影响突出，延性性能成为其体系、构件、节点的安全控制因素。
在工程实践中，设计技术人员迫切需要设计规范提供明确的大跨度钢结构计算分析理论与设计方法、与现代计算技术相应的工程实用计算软件以及明确的结构承载力与变形能力安全控制指标。
我国现行钢结构及相关设计规范( 程) 对体系、构件及连接节点等三个层次设计的现状可简单总结如下:1、在计算理论与设计方法方面，现行钢结构及相关设计规范( 程) 对计算理论与方法的规定，相当程度是基于手算或平面简化计算技术，对于空间受力的大跨度钢结构体系缺乏适应性。
此外现行钢结构及相关设计规范( 程) 对连接设计有计算公式，对节点设计缺乏明确的计算理论和方法。
钢结构建筑中的非线性分析与优化
钢结构建筑中的非线性分析与优化钢结构在建筑工程中被广泛应用，因其具有高强度、轻质、耐久等优势。
然而，随着建筑设计需求的不断提高，传统的线性分析方法已不能满足工程师对结构性能的要求。
非线性分析与优化成为了钢结构建筑设计中不可或缺的方法。
一、非线性分析的背景非线性分析是传统线性分析的推进，能更准确地考虑材料非线性、几何非线性、接触非线性等因素，并描述材料在受力过程中的非线性变化。
在钢结构建筑设计中，非线性分析主要包括弹塑性分析和大变形分析。
1. 弹塑性分析弹塑性分析是考虑材料力学性能的非线性变化，即材料在受力后出现塑性行为，使结构在受力后的行为变得更为准确。
在钢结构中，材料的弹性阶段和塑性阶段 cana同步存在，弹塑性分析可以更好地反映整个结构在受力过程中的实际行为。
2. 大变形分析大变形分析是从钢结构变形的角度出发进行分析，通过考虑结构的非线性变形，使分析结果更为准确可靠。
在很多实际情况下，结构会出现较大的变形，比如地震作用下的结构变形、局部破坏等，这些情况对结构的稳定性和安全性有很大影响。
通过进行大变形分析，可以更好地评估结构的变形情况，从而提高设计的精度和可靠性。
二、非线性分析的应用在钢结构建筑设计中，非线性分析有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：1. 抗震设计钢结构建筑在地震作用下容易发生屈曲和变形，因此抗震设计是非线性分析中的重要应用之一。
通过对结构进行非线性分析，可以模拟地震作用下结构的真实响应，并评估结构的抗震性能、承载能力等。
2. 超限设计对于跨度较大的钢结构梁、柱等构件，线性分析将无法准确考虑材料非线性影响，这时需要进行非线性分析，以更好地评估结构的承载能力和安全性能。
3. 局部模型分析在实际的结构设计中，经常需要对某些局部部位进行更为精细的分析，比如节点、连接件等。
通过非线性分析，可以更准确地考虑材料的非线性、接触非线性等因素，从而提高结构的可靠性和安全性。
三、非线性优化的挑战与趋势非线性优化是在非线性分析基础上进行的结构优化，在工程实践中起到了重要作用。
大跨度钢结构体系稳定性分析与设计
大跨度钢结构体系稳定性分析与设计导语：大跨度钢结构是指跨度超过50米的钢结构体系，由于其所承受的荷载较大且结构相对较轻，因此在设计和施工过程中需要对其稳定性进行严格的分析和设计。
本文将从稳定性分析和设计两个方面来探讨大跨度钢结构体系的重要性和相关问题。
一、稳定性分析在大跨度钢结构体系的设计中，稳定性是一个非常重要的考虑因素。
稳定性分析旨在保证结构在受力过程中不会失去稳定性，避免发生倒塌等严重事故。
1.1 屈曲稳定性屈曲是指结构在受到外力作用时，由于材料的不均匀性或几何形状的不合理而发生的塑性变形现象。
大跨度钢结构体系的稳定性分析首先要考虑的就是屈曲稳定性。
结构存在的屈曲形式有很多种，如轴心屈曲、弯曲屈曲和扭曲屈曲等。
分析时需要根据实际情况选择合适的稳定性理论和计算方法，确定结构的屈曲荷载。
1.2 偏心稳定性偏心是指外力作用点与结构截面重心之间的距离。
当结构受到偏心作用时，会产生弯矩和剪力，从而影响结构的稳定性。
大跨度钢结构体系通常对外力具有抗弯和抗剪的稳定性要求，需要通过合理的设计和加强措施来提高其偏心稳定性。
1.3 几何稳定性大跨度钢结构体系在受到荷载作用时，由于结构材料和几何形状的非线性变化，可能导致结构发生几何稳定性失效。
因此，需要通过合理的几何构造和优化设计来提高结构的几何稳定性。
同时，在施工过程中还要注意充分控制结构的变形和位移，避免发生几何不稳定。
二、稳定性设计稳定性设计是指根据稳定性分析的结果，提出合理的设计措施来保证大跨度钢结构体系的稳定性。
2.1 结构优化稳定性设计的首要目标是通过优化结构形式和材料的选择，提高结构的整体稳定性。
比如，在大跨度钢结构体系中，可以采用桁架结构、拱形结构或悬挑结构等来增加结构的稳定性。
此外，合理选择节段长度、连接方式和加强措施等也是稳定性设计的重要内容。
2.2 加固措施对于一些现有的大跨度钢结构体系，可能会存在一些稳定性问题。
在这种情况下，需要采取一些加固措施来提高结构的稳定性。
钢结构的非线性问题与二阶效应及近似分析研究
工程造价等 众多优点 ． 建筑行业 中越 来越 多地采 用钢结构来建造各式建筑， 尤其是 高层、 超高层 以及 大跨度建筑 大都采用钢结构。
一
布按实际的或假想的应力一 应变关系计算 在钢结构设 计中 ． 以理想 的 弹塑性本构关 系考 虑材料非线性 ． 梁柱构件的强度设计 中 ． 在 采用一 阶弹塑性分析 ． 考虑截 面塑性 的部分发展 在框架 的极限承载力分析 中． 采用考虑理想塑性铰 的一 阶刚塑性分析法就是这种方法 。 ２３ 二阶弹性分析 ． 二阶弹性分析不 考虑材料非线性影响 ． ．但平衡方程 的建立必须 考虑体系变形的影响 ， 也即几何非线性分析 。普遍应用 于弹性应力 问 题 的迭加原理在这里不再适用 ２ 二 阶弹塑性分析 ． ４ 二阶弹塑性分析方法 既考虑材料非线性 ． 又计入几何非线性 的影 响． 因而它是最接近结构真实受力状况 的一种分析方法 。然 而受 实际 结构类型 、 荷载类型 、 残余应力 的大小和分 布、 加载历史不 明确等因素 的影 响 ． 二阶弹塑性分析方法 需同时考虑 的因素 太多 ． 手工分析 已经 变得不可能 ． 必须借助 于大型计算机 ． 这样就 使精 确 的二 阶弹塑性分 析方法不大可能直接应用于工程设计
一
竖向荷载产生的二 阶效应会增大到不容忽视 的程度； 由于其高宽 比 且 般较大 ． 侧移和竖 向荷载产生的二阶效应也将使得钢结构的稳定问 题更加突 出 由于二阶效应伴随着附加 内力和附加挠度的产生 ， 通常 对结构 的强度 和稳定都是有害 的． 为安 全起见 ． 设计 中应该 考虑这些
【 关键词 】 高层建筑结构 ； 钢结构； 线性 问题 ； 非 二阶效应 ； 内力； 附加 附加位移 ； 整体刚度
钢结构的非线性分析与设计
钢结构的非线性分析与设计钢结构作为一种重要的建筑结构材料，具有高强度、高刚度和良好的可塑性等优势，在各类工程中得到广泛应用。
然而，钢结构在承受大荷载或受到外界影响时，其行为往往呈现出非线性的特性。
因此，对钢结构进行非线性分析与设计显得尤为重要。
一、非线性分析概述非线性分析是对结构在整体或局部受力下产生的弹塑性行为进行数值模拟与预测的过程。
相比于线性分析，非线性分析能够更全面地考虑结构的力学性能，提供更为准确的设计结果。
1.1 材料非线性钢结构在受力时，钢材的应力-应变关系呈现出明显的非线性特性。
随着应力的增大，钢材会逐渐进入塑性阶段，应变将不再与应力成正比。
因此，在非线性分析中，需要使用钢材的塑性应力-应变曲线来模拟其力学行为。
1.2 几何非线性除了材料非线性外，钢结构在受力时还可能出现几何非线性的现象。
例如，在大变形情况下，原本直的梁可能发生弯曲，原本平行的柱可能出现轻微的偏斜。
非线性分析需要考虑结构的变形对力学行为的影响，并对结构进行几何非线性分析。
1.3 边界非线性在实际工程中，往往需要将钢结构连接到其他构件或地基上。
这些连接处的约束和支撑也可能导致钢结构的边界非线性。
非线性分析中，需要准确地描述和模拟这些约束和支撑的行为。
二、非线性分析方法钢结构的非线性分析可以采用多种方法，常见的包括弹塑性分析、屈曲分析、动力非线性分析等。
这里我们以弹塑性分析为例进行说明。
2.1 弹性分析弹性分析是钢结构分析中最基本的一种方法。
在这种分析中，假设钢材处于弹性范围内，可以根据钢材的弹性力学参数进行计算。
然而，在受到超过临界荷载时，钢材将进入塑性阶段，此时需要进行弹塑性分析。
2.2 屈曲分析屈曲分析是非线性分析中的重要内容。
屈曲是指钢结构在受到较大荷载作用时，由于材料和几何的不稳定引起的局部或整体失稳现象。
屈曲分析可以通过数值模拟和理论分析来预测结构的屈曲荷载和屈曲形态，为结构的合理设计提供依据。
2.3 动力非线性分析在某些情况下，如地震荷载作用下，钢结构会展现出明显的动力非线性特性。
大跨度钢结构设计中常见问题的研究与探讨
大跨度钢结构设计中常见问题的研究与探讨张月强【摘要】随着我国建筑事业的发展,大跨度钢结构在我国开始大规模的建造,一方面促进了大跨度钢结构设计技术的提高,另一方面也突显出钢结构设计中的一部分常见问题.论述了大跨度钢结构设计的基本步骤,研究和探讨了设计过程的结构设计中的弹塑性分析和结构形态对极限承载力的影响,同时总结了结构细部设计中关于支座选型和节点细部对结构受力性能的影响,提出对这些常见问题设计中注意事项和改进措施.%With development of the construction industry,construction of large span steel structures in our country started extensively in our country.On the one hand,this promotes improvement of large span steel structural design,on the other hand,it also highlights some common design problems in the steel structures.This paper discusses basic steps for large span steel structural design and research.This study also discusses the design process of elastoplastic analysis in structural design and effect of structural form on ultimate bearing capacity,and summarizes frequently asked questions in the structural detail design about the selection of bearing types and the influence of the joint detail on mechanical properties of the structure.Finally,this paper presents design considerations and improvement measures to these common problems.【期刊名称】《结构工程师》【年(卷),期】2018(034)002【总页数】7页(P16-22)【关键词】大跨度钢结构;弹塑性分析;结构形态;支座选型;节点细部【作者】张月强【作者单位】同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,上海200092【正文语种】中文0 引言随着我国经济的发展,大跨度钢结构在全国范围内大规模兴建。
钢结构非线性分析
１ ． ２ 材料 非线性 。 材 料非 线性的产生 主要是 因为不 同的材 料其弹性 的， 没有较大的数 据出入 。 由于 影响钢结 构非 线性分析的 因素 比较多， 为了简化流 程， 节约不 必要的人力、 财 力投 入， 我们 和承重 数值存在 差异性 ， 这种 差异性 直接影 响建筑 施工 。 目前， 技术人 操 作起来难 度极高， 并在此 基础上绘画出各个 节点随 员将材 料 的非线 性简单 的划 分为两个方 面 ， 其一 是 随着应 用实践 的延 只将一 个构建笼统 划分在一 个单元 内， 长而产生 的弹性 问题， 其二是 不受应用时 间影 响的弹性 问题 。 本质上来 着承 重力的加 大而出现的数值 变化 曲线图， 通过对 曲线图的数学分析， 我 们可以得 出结论 ， 此 时结 构的位 移变 化与结 构的承 重力是不成 线性 说二者 没有太 大的区别 ， 可以遵守基 本的力学应 用和建筑学应用理论 ， 所以 人们没有对 该领域 进行深 度的 分析和研 究 。 二者的 差异集 中表现 比例结 构的， 也就是我们所说 的非线性 结构。 在卸载 的具 体路径不 同， 受 到文章 篇幅 的限制 ， 这 里就 不再进行系统的 ３ 结 语 综 上所 述 ， 通过笔 者对钢材 结构 的建模 分析和 模型数 据测量与实 分析 。 验， 我们 可以确定钢 材料 的承 重与其 弹塑性数 值相关 ， 换 言之 ， 进行钢 １ ． ３ 边界非 线性。 边界非 线性 通常都发生在建筑 施工 的边 界位 置， 受到 施工建 筑工人 主管思 维意 识的影 响 比较大 ， 同时也 因为工程 建筑 结 构 的非线性 研究会 对钢材结 构 的承重数值 造成较 大的影 响 ， 所 以施 施工 的实 际请款而 存在 较大 的差异 性 ， 所以 不能对 其进行具 体 的划分 工建筑 单位在进行 建筑 施 工时需 要对 该数据 进行 准确分析 ， 以全面提 和讲解 ， 同时， 所有的边界非 线性 问题都 可以利用 工程 非线性观 点和材 高建筑施 工的质量 。 料的 非线性观 点进行处 理， 所以文 章中就不对其进行具体 的阐述 ， 施 工 人员只有不 断的提升 自身的业务水平 ， 才能较好 的处理好 边界 非线性 问
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大跨度钢结构非线性分析研究
【摘要】随着现代计算机技术和结构计算理论的发展，钢结构高等分析法被应用到结构设计中，高等分析法是考虑了结构的非线性响应、各种缺陷以及其他影响结构承载能力的因素，通过对结构进行一次全过程的整体分析研究结构的响应。
本文对结构非线性分析理论进行了研究，并通过具体的算例验证了非线性分析在工程中的应用。
【关键词】钢结构；非线性；有限元
1 前言
钢结构具有材料强度高、塑性韧性好、重量轻、材质均匀、工业化生产程度高等优点，目前在国内外的工程建设中得到了越来越广泛的应用。
由于钢材强度高，构件一般板件较薄，长细比大[1]，更容易出现失稳现象，同时，耐腐蚀性差、高温下容易软化、在低温下容易发生脆断等，导致了钢结构事故的发生。
对于大型公共建筑，结构体系复杂，设计难度高，投资大，人员密集，因此对其安全性要求极高。
传统的钢结构设计采用的是两阶段设计法，第一阶段是按线弹性理论计算结构内力，第二阶段是进行构件设计，通过计算长度系数考虑构件之间的影响，然后按照规范对构件进行单独验算和设计，通过计算长度系数考虑构件之间的相互影响。
目前各国规范基本都采用两阶段设计法，但该方法也有一定的不合理性，如结构的内力分析模式与构件承载力计算模式不一致、不能考虑内力重分布等等。
因此，结构设计若仅进行强度、稳定性、刚度进行计算和验
算，无法保证其可靠性，不能满足现代结构设计的需求，必须发展对结构进行非线性分析和设计的方法。
2 非线性理论
从本质上讲，工程中所有的力学问题都是非线性的[2]，一些经典的力学理论都是对实际问题基于某些假定的简化处理，如小变形假定、线性弹性假定、边界条件保持不变假定等，不满足上述假定中的任意一种假定，就产生非线性现象。
一般地，力学中的非线性问题包括三类：
（1）几何非线性。
在小变形假定下，通常是在未变形的结构上建立平衡。
当结构在荷载作用下产生较大的变形，小变形假定不成立，就必须考虑几何非线性的影响，平衡应建立在结构变形后的构形上，考虑内力的二阶效应，几何方程应包括位移的高阶项。
（2）材料非线性。
材料非线性，主要是应力应变的非线性关系引起的，可分为两类：率无关的材料非线性和率相关的材料非线性，即不依赖于时间的弹塑性和依赖于时间弹、塑性问题。
（3）边界非线性。
边界非线性主要是由于在分析过程中，边界条件发生变化引起的。
通常，工程结构中的非线性问题以几何非线性和材料非线性为主，因此本文对边界非线性问题不进行讨论。
3 结构非线性分析
空间杆单元通常只承受轴向拉伸或压缩，只产生轴向应力和应变，每个节点只有三个平动自由度。
单元刚度矩阵包括割线刚度矩
阵和切线刚度矩阵两种形式，割线刚度矩阵反映的是总荷载与总位移之间的对应关系[3]，而切线刚度矩阵反映的是荷载增量与位移增量之间的对应关系，对于结构非线性问题一般都采用增量法进行求解，推导空间杆单元的切线刚度矩阵时基于以下假定：
（1）不考虑材料屈服的影响；
（2）所有构件为等截面；
（3）所有荷载均为保守的，节点均为理想铰接。
梁单元几何非线性的精度主要受切线刚度矩阵、大转动的叠
加方法、单元划分精度、以及单元内力计算方法等因素的影响[4]。
通常空间梁单元切线刚度矩阵的推导采用两种方法：
（1）非线性有限单元法，考虑应变的高阶项，选用位移插值函数建立虚功方程进行推导；
（2）梁柱法，基于平衡微分方程直接推
图1 结构图图2 结构内力图
通过计算，可得结构内力如图2所示，由计算可知，水平方
向地震作用对上弦最大轴力影响最大，最大动内力发生在边部第二跨，由边跨到跨中轴力逐渐减小，这表明水平地震引起的运动由柱子传给上弦并向跨中传递与扩散，并在变形过程中逐渐被吸收，跨中位置较小。
腹杆最大轴力发生在跨中，下弦最大轴力发生在1/4跨度附近，水平地震内力和竖向地震内力相差不大。
6 结论
非线性动力时程分析能够分析地震反应全过程中各个时刻结
构的内力和变形形态等详细信息，是一种比较可靠的方法，本文在合理选择单元模型、材料本构、强度准则的基础上，利用有限元程序对一大跨度钢结构进行非线性有限元分析，可以得到：当进行极限强度设计时，通过非线性分析可以把单元由于刚度变化所引起的内力重分布考虑进去。
单元刚度的变化是随荷载的增加而贯穿于结构的弹性、非弹性和极限范围这一过程中的。
广泛应用结构的非线性分析方法，会使结构的安全性提高，并且降低造价。
同时由于非线性分析技术较复杂，计算工作量大，且有许多问题在理论上还有待改进，因此需要进行更为深入的研究。
参考文献
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元分析[J].吉林建筑工程学院学报，2010，27（5）：9-11
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科技信息，2008（31）：156-157
[3]梅力彪，周云，阴毅.新型钢管混凝土柱环板节点的非线
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