隨機(jī)特性下的鋼框架的強(qiáng)度和可靠性

摘 要：研究隨機(jī)特性對(duì)強(qiáng)度和可靠性這兩個(gè)鋼框架的效果。蒙特卡羅模擬法被用來分析低層工業(yè)框架和儲(chǔ)糧的糧倉。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)著重通過限制影響他們的強(qiáng)度所損失的鋼架穩(wěn)定性呈現(xiàn)二效應(yīng)。這兩種框架的研究是根據(jù)先前的研究而直接分析來自于2005年美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)鋼結(jié)構(gòu)建筑這本說明書。分析考慮屈服強(qiáng)度的隨機(jī)性，彈性模量，殘余應(yīng)力鉛直P-Delta 和筆直P-delta。影響相關(guān)空間的這些實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行研究。結(jié)果確認(rèn)的重要性包括幾何缺陷為適當(dāng)?shù)脑u(píng)估框架的穩(wěn)定。彈性模具的隨機(jī)性和殘余應(yīng)力也顯示出重要影響。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)可靠性；蒙特卡羅方法；鋼架；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；殘余應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TU3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-291X（2013）09-0304-02

一、介紹

美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)2005年：現(xiàn)在允許使用直接分析評(píng)估框架估計(jì)二階效應(yīng)，直接分析用非線性或第2次序結(jié)構(gòu)分析來估測需要的強(qiáng)度和考慮幾何非線性P1和P2幾何缺陷材料的高產(chǎn)和殘余應(yīng)力。新的直接分析條文認(rèn)為框架的穩(wěn)定是一種制度現(xiàn)象，因此一個(gè)完整的框架非線性分析可以用來準(zhǔn)確地描述真實(shí)的分布和內(nèi)部力量變形。第一階彈性方法依賴于線性彈性分析有效長度的因素和放大系數(shù)B1和B2的估計(jì)。

二階效應(yīng)：在某些情況下，一階方法是過于保守并且在其他情況下其應(yīng)用是不確定或含糊不清。以往的研究已經(jīng)表明更準(zhǔn)確率的結(jié)果從真正的二階分析可以用來設(shè)計(jì)更有效和最經(jīng)濟(jì)的鋼結(jié)構(gòu)。

直接分析方法采用現(xiàn)有的負(fù)荷和阻力因素美國剛結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)2005年提出的?，F(xiàn)有的負(fù)荷和阻力的因素發(fā)展成假設(shè)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，使用一階分析并有一個(gè)目標(biāo)，根據(jù)可靠性指標(biāo)大約為3.0 是bjor 等人于1978年提出的。計(jì)算的可靠性結(jié)構(gòu)是一個(gè)函數(shù)的概率分布預(yù)測的。通常特點(diǎn)是均值和變異系數(shù)，但也受形狀的分布。影響這些因素是由材料所決定的專業(yè)的因素產(chǎn)生而得，現(xiàn)有發(fā)展來實(shí)際二階分析出可能改變預(yù)測強(qiáng)度分布，其中有不同的統(tǒng)計(jì)特性，例如比那些從擴(kuò)增一階分析直接計(jì)算為基礎(chǔ)的失效模式更遠(yuǎn)的二階分析，如損失框架的穩(wěn)定作為二階分析捕捉復(fù)雜的非線性行為近似分析的關(guān)系，涉及的統(tǒng)計(jì)特性的基本屬性，以整體框架的強(qiáng)度來計(jì)算通常是不可能的。蒙特卡羅模擬是一種用來研究概率影響的方法，隨機(jī)性體現(xiàn)在性能結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的力量結(jié)構(gòu)。

本文的目的是研究系統(tǒng)的可靠性。鋼結(jié)構(gòu)由于隨機(jī)性在屈服強(qiáng)度彈性模量殘余應(yīng)力下得幾何缺陷。結(jié)果是提供進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)上的關(guān)系性能及系統(tǒng)可靠性的鋼架。

二、框架例子

這兩個(gè)例子框架本文分析了上頁圖1—兩特點(diǎn)是大型重力負(fù)荷和顯著的二階效果?？蚣?是代表一個(gè)大型的工業(yè)大廈并且它的設(shè)計(jì)由重力荷載組合1.2D+1.6L.中心的彎曲提供所有側(cè)面穩(wěn)定，提供所有的橫向穩(wěn)定性，而外層空間，每個(gè)模型柱都表現(xiàn)出傾斜?？蚣?是一個(gè)糧食儲(chǔ)藏的支持結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)也是由重力荷載控制。中間的橫向支撐使準(zhǔn)確地估計(jì)有效長度更為困難。這些框架的研究先前在由Martinez-Garci_2002_，Deierlein _2003_，andSurovek-Maleck and White2004a，b所寫的著作出現(xiàn)過。這些框架是由第一順序彈性方法設(shè)計(jì)，由有效的長度因素和框架穩(wěn)定因素改進(jìn)得來。但是，第2分析展示出框架在某種程度上耐用很多并且盡可能的有效。deierlein 2003年聲明這框架有多出17 %大于必要重力載荷；框架2是 2.13 %。在這些框架的型號(hào)大小沒有根據(jù)第2順序分析法來定。

（一）框架分析方法

所有結(jié)構(gòu)分析出自于1.6.2麥肯納版本說明書和2005年版的說明書，包括幾何非線性行為和彈性—塑性材料模型。包括位移，梁柱分子與立方形狀等的因素。截面高產(chǎn)軸矩的相互作用被用來制作纖維元素模型，在這4點(diǎn)中沿元素的長度發(fā)生變化。制服重力載荷框架1適用等同交點(diǎn)載荷沿梁的長度。所有的分析與隨機(jī)屈服強(qiáng)度，模量或殘余應(yīng)力，包括初步估計(jì)它不能高于1/500H的建筑物高度，以框架成為一個(gè)橫向穩(wěn)定性失效模式。對(duì)角線框架2模型的25.4毫米直徑棒于2003年提出，是為了在實(shí)施過程縮小范圍節(jié)約材料。雙方對(duì)角線包括初步預(yù)應(yīng)力26.5千牛，以防止彈性屈曲不低于該負(fù)荷值到框架沒有因此失穩(wěn)。典型荷載位移圖每一框架顯示在上頁圖2 。分析與材料性能和初步擺動(dòng)。負(fù)荷比國家規(guī)范定義總額的比例適用于負(fù)荷框架未能總額名義重力負(fù)載。由于國家規(guī)范是基于應(yīng)用的負(fù)荷破壞，它也可能被解釋作為正?；目蚣軓?qiáng)度的最低標(biāo)準(zhǔn)。一處為1.0對(duì)應(yīng)的一適用于負(fù)荷的DN + LN的，那里的活荷載見于在上頁圖1。10 000個(gè)隨機(jī)變量考慮結(jié)構(gòu)分析樣本的表現(xiàn)與每個(gè)樣品有不同隨機(jī)值的財(cái)產(chǎn)審議和名義價(jià)值的其余性能的隨機(jī)變量。

（二）隨機(jī)變量的特性

下列屬性的框架被視為隨機(jī)數(shù)屈服應(yīng)力彈性模量E 美中不足低于出直線不夠好，頻繁的壓縮殘余應(yīng)力。 屈服應(yīng)力模型作為一個(gè)正常的分布與平均價(jià)值1.1和0.06 菲英島的巴特萊特等人定義收益率強(qiáng)度345 MPa。以彈性模量為藍(lán)本，作為正態(tài)分布與均值0.993其中英文名義模量由2000年全球行動(dòng)綱領(lǐng)巴特萊特等人定義。2003年再次二箱子的空間相關(guān)性被認(rèn)為是不相關(guān)和完全相關(guān)欄目。幅度擺動(dòng)及不完善的藍(lán)本作為統(tǒng)一的分布與下限為零上限限制= h/500擺動(dòng)或= 1/1 000為弓的基礎(chǔ)上最高許可之差在代碼中的標(biāo)準(zhǔn)做法出自美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)2000年。提出不完善的地方的形狀模型線性形狀模型，作為一個(gè)半正弦波。增加橫向的撓度，從而二階勢力結(jié)果確認(rèn)的重要性，包括幾何缺陷為適當(dāng)?shù)脑u(píng)估框架的穩(wěn)定。兩個(gè)不同的時(shí)空分布初步擺動(dòng)及不完善被認(rèn)為是大小和方向的不完善并且和所有柱無關(guān)，但和幅度和方向是完全相關(guān)。隨機(jī)中有缺陷的方向與平等的概率在每個(gè)方向無關(guān)的情況會(huì)發(fā)生，如果有抽樣誤差在安置欄基地，或在梁的長度，那個(gè)相關(guān)情況會(huì)發(fā)生。如果間隔欄基地正是兼容與梁的長度，殘余應(yīng)力均假定不同的線性。作為框架的強(qiáng)項(xiàng)是表示在條款負(fù)荷的比例，負(fù)荷分布也正?；煽偯x負(fù)荷。

（三）框架1結(jié)果分析

名義屈服應(yīng)力和彈性模量，無殘余應(yīng)力是一個(gè)完美的初步幾何和垂直重力載荷應(yīng)用，框架架1未能在總土地注冊(cè)處處長的2.76 。失敗的框架是由于非彈性屈曲的兩個(gè)中間欄目的C2 和C3 。軸向力在每一列是1 997千牛（449），再加上一個(gè)頻繁的階段，153千牛每米（1 357）英寸在頂部的每一欄。部分高產(chǎn)發(fā)生在列前屈曲，但充分塑化，或塑料。因?yàn)榭蚣芎秃奢d的完全對(duì)稱，框架并不展現(xiàn)橫向擺動(dòng)。不過初始缺陷將產(chǎn)生橫向故障模式，在一個(gè)規(guī)模較小的負(fù)荷比與名義材料性能和初步搖擺到最右側(cè)的H / 500 框架1。不能在土地注冊(cè)處的圖1.80 左欄中間的地方，C2的經(jīng)驗(yàn)最大的總需求量為第二階矩是相同的注冊(cè)為非線性彈性矩；軸向力是1 272千牛286，最高的時(shí)刻是236千牛米2 092英寸在最上方。這些結(jié)果同意這些報(bào)道，源于馬丁內(nèi)斯— 加西亞2002年。 統(tǒng)計(jì)力量為所有的分析框架1給出了顯示的性能，直方圖為無關(guān)及相關(guān)情況，以及作為正態(tài)分布與同樣的均值和方差。彈性模量，殘余應(yīng)力影響空間相關(guān)的這些物體實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行了研究。垂直軸線的所有直方圖正?；愿怕拭芏瘸猿霈F(xiàn)次數(shù)總數(shù)的樣品和榀的寬度。那個(gè)相關(guān)屈服強(qiáng)度之間的欄目有一個(gè)不容忽視效應(yīng)對(duì)均值和框架的實(shí)力。平均幀實(shí)力的名義框架強(qiáng)度與初始擺動(dòng)的比例是1.845/1.80=1.02，這是明顯低于比例的平均屈服強(qiáng)度。散射的圖是該框架強(qiáng)度的隨機(jī)收益率。

（四）框架2結(jié)果分析

依據(jù)名義屈服應(yīng)力和彈性模量，沒有殘余應(yīng)力是一個(gè)完美的初步幾何和垂直重力載荷應(yīng)用的理想狀態(tài)?？蚣?在負(fù)荷比為2.48沒有橫向的偏移的情況下失敗。兩柱的屈服是由于一軸個(gè)1 982千牛（445.5）軸力，此時(shí)是忽略不計(jì)。柱間的運(yùn)動(dòng)是不可忽略的，在名義上的材料性能和初步偏移缺陷在500/H到最右點(diǎn)框架負(fù)荷比率為1.58時(shí)刻未能呈現(xiàn)橫向擺動(dòng)模式。內(nèi)部擺動(dòng)導(dǎo)致在較低的水平支撐下出現(xiàn)柱間運(yùn)動(dòng)，最終造成了塑性鉸形成。失效柱軸力在C1和C2處是1 219千牛和1 308千牛，分別為最高時(shí)刻，在每一列大約是61千牛每537英寸。在丁內(nèi)斯—加西亞于2002年同意了這些結(jié)果。所有框架2分析的統(tǒng)計(jì)摘要。自由屈服下柱強(qiáng)度顯示出兩者之間的微妙聯(lián)系。外框架和中框架的換算比率是1.625/ 1.58=1.03，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中框架和外框架的比FymFyn=1.10。在不相關(guān)的屈服力表10（a）顯示了一組嚴(yán)密相關(guān)樣本和一帶相對(duì)疏散弱樣本。相關(guān)波段包含這些樣品是屈服應(yīng)力C1小于C2的。該散點(diǎn)圖在10（b）樣本只包括C1的Fy是兩柱中最小的C2的顯示相同的特點(diǎn)。顯示出2框的失敗是由最小屈服壓力的柱引起的，二階勢力在框架2沒有足夠大的以抵消的低屈服強(qiáng)度的效果。這是相比較框架1，左側(cè)的柱永遠(yuǎn)克制失敗，在最小屈服應(yīng)力的獨(dú)立位置，在這種情況下一個(gè)失敗模型和只有兩個(gè)柱，它們之間的相互關(guān)系是相對(duì)容易理解的。對(duì)于更多的框架和失敗的連鎖效應(yīng)，框架力和隨機(jī)特性之間的簡單關(guān)系不復(fù)存在。

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