工业设备钢框架结构研究

工业设备钢框架结构研究

工业设备钢框架结构由于其空间大,布置灵活,目前在很多地方已经取代了传统的混凝土框架结构,在我国得到了很广泛的应用。对于工业设备钢框架的整体极限承载力和变形之间的关系进行了系统了理论分析,通过分析,得出影响钢框架稳定承载力受多方面因素的影响,包括梁柱的线刚度、节点连接刚度、载荷条件、同层间相互作用等多方面的因素。针对设备钢框架的应力与应变之间的非线性关系,对非线性分析的方法进行了总结比较,分析了各种非线性分析方法的优缺点、准确度等。最后,对工业设备钢框架在设计研究中的关键点提出了自己的一点理解和建议。

标签：工业设备钢框架;承载力分析;稳定性分析;非线性

钢框架结构近年来在我国得到了很广泛的应用,这种结构以其强度高,自重轻,抗震性能好,施工速度快,工业化程度高,可重复使用,效率高等各方面的优点,在工业中很多方面取代了传统的混凝土结构。

钢框架结构多数由横梁与立柱刚接而成。刚性连接的横梁与普通梁式结构相比,节省钢材,结构横向刚度较好,横梁高度也较小。因此可以增加设备钢框架内部净空,减少设备钢框架的造价和体积,是现代工业设备中一种比较经济的结构形式。

在进行工业设备刚结构的设计时,对于结构的极限承载力的计算是不可避免的。钢结构框架设计必须建立在全面的计算分析基础之上,而分析与设计结果的可靠性、合理性依赖于所采用的分析与设计方法。对于钢框架结构的稳定性,应从框架的整体稳定方面入手进行分析,然而,目前一般的设计方法是通过控制框架柱的稳定性来间接控制钢框架的稳定性,而且将设备钢框架结构的强度条件和稳定性分开计算,《钢结构设计规范》在进行框架平面内的稳定计算时,柱的有效长

度l0按框架的失稳类型(有侧移和无侧移),采用根据弹性稳定理论得到的柱的计算长度系数μ,从而,l0=μlc,其中lc为柱的几何长度,这种分析方法是以单根框

架柱的稳定计算代替整体框架的稳定分析。而且,一方面大多数钢框架结构确实处于弹性工作状态,另一方面,弹性计算方法简单,理论计算方法也已经发展的比较成熟,所以,对于这样的计算,一般通过线弹性的分析方法进行设计分析,但是通过这样的计算方法,忽略了变形对整体钢框架结构的内力的影响。在某些地方,由于过大的变形导致结构发生局部塑性屈服而失去承载力,导致结构的实效。对于这样的情况,进行非线性分析是解决变形影响的有效的方法之一,这也是当前设备钢框架结构理论研究的一个重点,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实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。它主要包含几何非线性分析和材料非线性分析两个方面。

目前对于设备钢框架的准确的非线性分析主要采用两类非弹性有限元分析模型,一类是扩展塑性模型,即塑性区模型,另一类是集中塑性模型,即塑性铰模型。采用这两类有限元分析方法时,需要很大的计算量,计算成本很高,而且非线性分析缓慢费时,当不需要精确求解时,采用近似方法考虑二阶弹性效应的简化方法更为有利。

对于弹性材料,弯矩——曲率关系是线性的,刚性框架的非线性仅由存在的p-delta效应引起。对于这类效应,在研究中常采用的方法有两轮迭代法、虚拟侧向荷载法、迭代重力荷载法、负刚度法、弯矩放大法等。

(1)采用两轮迭代法来求解二阶平衡方程时,两种P-delta效应均应计入结构分析中。第一轮迭代进行结构一阶分析,刚度矩阵不计入二阶矩阵。按一节分析结果计算各杆轴力。利用稳定函数或者几何刚度矩阵修正结构刚度,然后进行第二轮迭代计算。两轮迭代法所得结果与采用更精确的分析所得结果不相上下,最大差值均在设计应用的容许极限之内。

(2)迭代重力荷载法是在框架侧移的位置上加上重力载荷,由此直接考虑P-Δ效应,分析时,仅对设备钢框架施加侧向荷载,接着进行重力荷载分析,这时重力荷载加在已经侧移的结构上,其侧移值就是水平荷载分析的一阶值,然后用前次重力分析所得的位移增量来模拟侧移的结构,在作重力分析时,重复进行这样的重力荷载分析指导位移增量可以忽略为止,和虚拟侧向荷载法一样,当它具有柔性柱的框架和轴力沿框架宽度变化很大的情况,就容易出现失误。

(3)虚拟侧向荷载法又称为等效侧向荷载法,或迭代法。这个方法之考虑框架失稳或P-Δ效应,忽略杆件失稳的P-δ效应。该法用一组侧向荷载来模拟框架失稳效应,为了算出正确的二阶弯矩,必须迭代应用虚拟侧向荷载法。按照一阶分析算得钢框架的侧移,然后计算虚拟剪力和虚拟侧向荷载。将虚拟侧向荷载和真实侧向荷载一起作用,按一阶理论重新分析框架结构知道迭代收敛。这个方法通常收敛很快,对于杆件不是很细且跨数较少的框架,它能得到较好的结果。但是,如果框架的杆件太细,这种方法对于某些柱的弯矩的估计存在着较大的失误。

(4)负刚度法,基本原理是P-Δ效应可以由折减框架侧向刚度来模拟,采用负刚度法时,将具有负刚度性质的杆件加到结构上,使其按一阶理论就可以得到正确的计入二阶效应的侧移和弯矩,负刚度法与虚拟侧向荷载法,同样都用一组等效剪力来考虑每层的P-Δ效应。但是在这两种方法中,计入这些剪力影响的或采用虚拟力来模拟P-delta效应的方式不同,负刚度法中,这些剪力影响在刚度项中计入,但是在虚拟侧向载荷法中,这一影响是在荷载项中计入。与虚拟侧向荷载法或迭代重力荷载法相比,负刚度法的优点是不需要迭代,只需作一次分析就能得到计入P-Δ效应的弯矩。在将几何刚度矩阵加入单元的刚度矩阵中P-δ效应也可以忽略。

设备钢二阶非弹性分析中首先应该考虑几何、材料双重非线性,为了更加准确和合理的分析框架的结构极限承载力,初始几何缺陷、残余应力是轻型钢结构二阶非弹性分析必须要考虑的因素。

在工业设备钢框架结构中,由于没有钢筋混凝土楼板参与工作,各框架之间的空间协同工作性能与平台梁系统的设置密切相关,平台平面内刚度越小,二阶效应的影响越大。另外,在实际工程中,设备支撑钢结构框架的结构体系复杂多变,由质量中心与框架的刚度形心的偏差产生的扭转效应,以及竖向不均匀性还会对整体结构的稳定性产生不利的影响。因此,应该针对工程的具体情况,对结构进行整体空间的稳定性分析。

在工业设备钢框架结构设计中,首先应该被强调的是“概念设计”,它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题,可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震灾、实验现象和工程经验所获得的设计思想,从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。因为钢结构不同于钢筋混凝土结构,除了本身的结构设计以外,还有一个同样重要的节点设计。刚性连接的设计相对来说比较简单,首先必须以抗震原则“强节点,弱构件”为基础,然后按照设计规范和构造要求进行计算即可。而对于半刚性连接,以极限状态设计方法为根本,一方面要满足正常使用极限状态的强度和刚度要求;另一方面又要满足地震作用下延性要求和耗能要求。在一般情况下,半刚性连接很难满足“强节点,弱构件”的抗震设计要求,因此在设计此类柔性框架时须特别注意。应综合考虑各种影响连接的因素,然后针对各种连接的破坏模式,选择设计目标,最后再按照连接处内力计算并选择连接件。

另外,任何工具的使用都有一定的适用条件,工程设计计算和精确的力学计算本身常有一定距离,为了获得实用的计算和设计方法,有时会用到误差较大的假定,但对于这种假定的误差,必须通过“适用条件,概念及构造”的方式来保证结构的安全。

随着工业的发展,钢框架工业厂房应用必将越来越广泛。钢框架设计必须采取合适的构件截面形式、稳定的支承、合理的节点设计才能满足工业的要求。随着应用的越来越多,钢框架设计也必将会日趋完善。

参考文献

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