半剛性連接鋼框架的改進(jìn)分析方法

陳永則??

【摘 要】本文就現(xiàn)階段進(jìn)行有半剛性連接鋼框架數(shù)值分析中經(jīng)常采用的分析模型進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上提出根據(jù)連接的強(qiáng)弱系數(shù) 定義推倒出由連接剛度系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)表示的修正后的轉(zhuǎn)角位移方程，此方程能完整地描述連接剛度由零到無(wú)限大變化時(shí)桿件受力隨之變化的全過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】半剛性；連接剛度系數(shù)；轉(zhuǎn)角位移方程

Semi-rigid connected steel frame improving analytical methods

Chen Yong-ze

（Shaanxi Construction Machinery Co.， Ltd Xi'an Shaanxi 710032）

【Abstract】This article on this stage have a semi-rigid connected steel frame numerical analysis model is frequently used in the analysis of the advantages and disadvantages of comparative analysis， based on tear down the connection stiffness coefficient and stability factor correction according to the strength of the connection coefficient definedafter corner displacement equation， this equation can complete description of the connection stiffness rod pieces by the force changes from zero to infinity changes the whole process.

【Key words】Semi-rigid；The connection stiffness coefficient；Angular displacement equation

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析中，是將梁柱連接節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單的劃分為只能傳遞軸力和剪力的鉸接，或能完全傳遞軸力、剪力和彎矩的剛性連接。但是，試驗(yàn)研究表明大多數(shù)工程中常采用的節(jié)點(diǎn)均會(huì)表現(xiàn)出介于鉸接和剛性連接之間的性能即半剛性性能[1～3]

關(guān)于連接節(jié)點(diǎn)性能特性的研究及其對(duì)結(jié)構(gòu)靜態(tài)承載力的影響，近10年來(lái)已有較多的論述，在文獻(xiàn)[2]中對(duì)常用的分析方法做了較為詳細(xì)的綜述。

1. 現(xiàn)階段對(duì)于半剛性連接框架基本上采用以矩陣位移法為基礎(chǔ)的數(shù)值分析法來(lái)進(jìn)行分析。其中最為關(guān)鍵的剛度矩陣的建立方法主要有：

（1）有限元法：文獻(xiàn)[4][5]中用有限元方法分析時(shí)，采用連接彈簧來(lái)模擬連接節(jié)點(diǎn)性能，在建立結(jié)構(gòu)剛度矩陣時(shí)，連接彈簧剛度將分別影響柱剛度矩陣和梁剛度矩陣的建立。這與實(shí)際的物理模型是有差別的：在框架中，柱端是連續(xù)的，按照正常的有限元方法建立其剛度矩陣即可，梁柱連接的性能是集中在對(duì)梁?jiǎn)卧挠绊懀瑧?yīng)在梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃嚨慕⑦^(guò)程中將梁端連接特性完全計(jì)入。同時(shí)，當(dāng)采用桿件有限元法時(shí)，勢(shì)必會(huì)在計(jì)算時(shí)忽略應(yīng)變函數(shù)中位移的一些高階項(xiàng)，用此進(jìn)行多層框架這樣由眾多桿件藕合作用結(jié)構(gòu)的分析，其所得結(jié)果的精度必然受到影響。

（2）梁柱理論：采用考慮連接性能修正后的轉(zhuǎn)角位移方程來(lái)建立剛度矩陣。此方法直接由桿件的平衡方程來(lái)推導(dǎo)剛度矩陣，用超越函數(shù)簡(jiǎn)潔、精確地表達(dá)桿單元中力和位移的關(guān)系?，F(xiàn)在研究中主要采用W.F.Chen[3][6][7]推導(dǎo)出的考慮連接剛度修正后的轉(zhuǎn)角位移方程：

6. 結(jié)論

由以上的分析可清晰的看出，（2-8）能完整準(zhǔn)確的描述構(gòu)件隨著桿件兩端約束條件的變化承載力跟隨變化的全過(guò)程，將端部連接分別為鉸接、固接和半剛性連接的轉(zhuǎn)角位移方程的表達(dá)統(tǒng)一起來(lái)。同時(shí)在用（2-8）式建立剛度矩陣時(shí)，不必要引入新的獨(dú)立變量分項(xiàng)目就可準(zhǔn)確、連續(xù)地描述結(jié)構(gòu)剛度變化的全過(guò)程。

圖5 ρ=1.0時(shí)彈性分析位移-荷載曲線

參考文獻(xiàn)

[1] Stelmarch， Analysis and tests of flexibly connected steel frames[J] J. of Structural Engineering， ASCE， Vol.112 ，pp.1573-1588 1986.

[2] 陳惠發(fā)著 周綏平譯 《鋼框架穩(wěn)定設(shè)計(jì)》[M] 世界圖書出版公司 上海 1999.8.

[3] W.F.Chen， Practical analysis for semi-rigid frame design"[M] N.Y. World Scientific 1999.10.

[4] Ali etc.， An investigation for semi-rigid frames by different connection models[J] Mathematical and compytational Applications， Vol. 10， No.1， pp 35～44，2005.

[5] M.Soares Filho etc. Wind pressure in framed structures with semi-rigid connections[J] J. of the Braz. Soc. Of Mech. Sci. & Eng.， 2004 Vol. XXVI No.2 pp180～189.

[6] W.F.Chen and S.E.Kim， LRFD steel design using advance analysis[M]， Florida，CRC Press ，1997.

[7] W.F.Chen， Y.Goto and R.Liew， Stability design of semi rigid frames[M]， N.Y. Wiley，1993.

【摘 要】本文就現(xiàn)階段進(jìn)行有半剛性連接鋼框架數(shù)值分析中經(jīng)常采用的分析模型進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上提出根據(jù)連接的強(qiáng)弱系數(shù) 定義推倒出由連接剛度系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)表示的修正后的轉(zhuǎn)角位移方程，此方程能完整地描述連接剛度由零到無(wú)限大變化時(shí)桿件受力隨之變化的全過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】半剛性；連接剛度系數(shù)；轉(zhuǎn)角位移方程

Semi-rigid connected steel frame improving analytical methods

Chen Yong-ze

（Shaanxi Construction Machinery Co.， Ltd Xi'an Shaanxi 710032）

【Abstract】This article on this stage have a semi-rigid connected steel frame numerical analysis model is frequently used in the analysis of the advantages and disadvantages of comparative analysis， based on tear down the connection stiffness coefficient and stability factor correction according to the strength of the connection coefficient definedafter corner displacement equation， this equation can complete description of the connection stiffness rod pieces by the force changes from zero to infinity changes the whole process.

【Key words】Semi-rigid；The connection stiffness coefficient；Angular displacement equation

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析中，是將梁柱連接節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單的劃分為只能傳遞軸力和剪力的鉸接，或能完全傳遞軸力、剪力和彎矩的剛性連接。但是，試驗(yàn)研究表明大多數(shù)工程中常采用的節(jié)點(diǎn)均會(huì)表現(xiàn)出介于鉸接和剛性連接之間的性能即半剛性性能[1～3]

關(guān)于連接節(jié)點(diǎn)性能特性的研究及其對(duì)結(jié)構(gòu)靜態(tài)承載力的影響，近10年來(lái)已有較多的論述，在文獻(xiàn)[2]中對(duì)常用的分析方法做了較為詳細(xì)的綜述。

1. 現(xiàn)階段對(duì)于半剛性連接框架基本上采用以矩陣位移法為基礎(chǔ)的數(shù)值分析法來(lái)進(jìn)行分析。其中最為關(guān)鍵的剛度矩陣的建立方法主要有：

（1）有限元法：文獻(xiàn)[4][5]中用有限元方法分析時(shí)，采用連接彈簧來(lái)模擬連接節(jié)點(diǎn)性能，在建立結(jié)構(gòu)剛度矩陣時(shí)，連接彈簧剛度將分別影響柱剛度矩陣和梁剛度矩陣的建立。這與實(shí)際的物理模型是有差別的：在框架中，柱端是連續(xù)的，按照正常的有限元方法建立其剛度矩陣即可，梁柱連接的性能是集中在對(duì)梁?jiǎn)卧挠绊?，?yīng)在梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃嚨慕⑦^(guò)程中將梁端連接特性完全計(jì)入。同時(shí)，當(dāng)采用桿件有限元法時(shí)，勢(shì)必會(huì)在計(jì)算時(shí)忽略應(yīng)變函數(shù)中位移的一些高階項(xiàng)，用此進(jìn)行多層框架這樣由眾多桿件藕合作用結(jié)構(gòu)的分析，其所得結(jié)果的精度必然受到影響。

（2）梁柱理論：采用考慮連接性能修正后的轉(zhuǎn)角位移方程來(lái)建立剛度矩陣。此方法直接由桿件的平衡方程來(lái)推導(dǎo)剛度矩陣，用超越函數(shù)簡(jiǎn)潔、精確地表達(dá)桿單元中力和位移的關(guān)系?，F(xiàn)在研究中主要采用W.F.Chen[3][6][7]推導(dǎo)出的考慮連接剛度修正后的轉(zhuǎn)角位移方程：

6. 結(jié)論

由以上的分析可清晰的看出，（2-8）能完整準(zhǔn)確的描述構(gòu)件隨著桿件兩端約束條件的變化承載力跟隨變化的全過(guò)程，將端部連接分別為鉸接、固接和半剛性連接的轉(zhuǎn)角位移方程的表達(dá)統(tǒng)一起來(lái)。同時(shí)在用（2-8）式建立剛度矩陣時(shí)，不必要引入新的獨(dú)立變量分項(xiàng)目就可準(zhǔn)確、連續(xù)地描述結(jié)構(gòu)剛度變化的全過(guò)程。

圖5 ρ=1.0時(shí)彈性分析位移-荷載曲線

參考文獻(xiàn)

[1] Stelmarch， Analysis and tests of flexibly connected steel frames[J] J. of Structural Engineering， ASCE， Vol.112 ，pp.1573-1588 1986.

[2] 陳惠發(fā)著 周綏平譯 《鋼框架穩(wěn)定設(shè)計(jì)》[M] 世界圖書出版公司 上海 1999.8.

[3] W.F.Chen， Practical analysis for semi-rigid frame design"[M] N.Y. World Scientific 1999.10.

[4] Ali etc.， An investigation for semi-rigid frames by different connection models[J] Mathematical and compytational Applications， Vol. 10， No.1， pp 35～44，2005.

[5] M.Soares Filho etc. Wind pressure in framed structures with semi-rigid connections[J] J. of the Braz. Soc. Of Mech. Sci. & Eng.， 2004 Vol. XXVI No.2 pp180～189.

[6] W.F.Chen and S.E.Kim， LRFD steel design using advance analysis[M]， Florida，CRC Press ，1997.

[7] W.F.Chen， Y.Goto and R.Liew， Stability design of semi rigid frames[M]， N.Y. Wiley，1993.

【摘 要】本文就現(xiàn)階段進(jìn)行有半剛性連接鋼框架數(shù)值分析中經(jīng)常采用的分析模型進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上提出根據(jù)連接的強(qiáng)弱系數(shù) 定義推倒出由連接剛度系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)表示的修正后的轉(zhuǎn)角位移方程，此方程能完整地描述連接剛度由零到無(wú)限大變化時(shí)桿件受力隨之變化的全過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】半剛性；連接剛度系數(shù)；轉(zhuǎn)角位移方程

Semi-rigid connected steel frame improving analytical methods

Chen Yong-ze

（Shaanxi Construction Machinery Co.， Ltd Xi'an Shaanxi 710032）

【Abstract】This article on this stage have a semi-rigid connected steel frame numerical analysis model is frequently used in the analysis of the advantages and disadvantages of comparative analysis， based on tear down the connection stiffness coefficient and stability factor correction according to the strength of the connection coefficient definedafter corner displacement equation， this equation can complete description of the connection stiffness rod pieces by the force changes from zero to infinity changes the whole process.

【Key words】Semi-rigid；The connection stiffness coefficient；Angular displacement equation

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)分析中，是將梁柱連接節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單的劃分為只能傳遞軸力和剪力的鉸接，或能完全傳遞軸力、剪力和彎矩的剛性連接。但是，試驗(yàn)研究表明大多數(shù)工程中常采用的節(jié)點(diǎn)均會(huì)表現(xiàn)出介于鉸接和剛性連接之間的性能即半剛性性能[1～3]

關(guān)于連接節(jié)點(diǎn)性能特性的研究及其對(duì)結(jié)構(gòu)靜態(tài)承載力的影響，近10年來(lái)已有較多的論述，在文獻(xiàn)[2]中對(duì)常用的分析方法做了較為詳細(xì)的綜述。

1. 現(xiàn)階段對(duì)于半剛性連接框架基本上采用以矩陣位移法為基礎(chǔ)的數(shù)值分析法來(lái)進(jìn)行分析。其中最為關(guān)鍵的剛度矩陣的建立方法主要有：

（1）有限元法：文獻(xiàn)[4][5]中用有限元方法分析時(shí)，采用連接彈簧來(lái)模擬連接節(jié)點(diǎn)性能，在建立結(jié)構(gòu)剛度矩陣時(shí)，連接彈簧剛度將分別影響柱剛度矩陣和梁剛度矩陣的建立。這與實(shí)際的物理模型是有差別的：在框架中，柱端是連續(xù)的，按照正常的有限元方法建立其剛度矩陣即可，梁柱連接的性能是集中在對(duì)梁?jiǎn)卧挠绊?，?yīng)在梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃嚨慕⑦^(guò)程中將梁端連接特性完全計(jì)入。同時(shí)，當(dāng)采用桿件有限元法時(shí)，勢(shì)必會(huì)在計(jì)算時(shí)忽略應(yīng)變函數(shù)中位移的一些高階項(xiàng)，用此進(jìn)行多層框架這樣由眾多桿件藕合作用結(jié)構(gòu)的分析，其所得結(jié)果的精度必然受到影響。

（2）梁柱理論：采用考慮連接性能修正后的轉(zhuǎn)角位移方程來(lái)建立剛度矩陣。此方法直接由桿件的平衡方程來(lái)推導(dǎo)剛度矩陣，用超越函數(shù)簡(jiǎn)潔、精確地表達(dá)桿單元中力和位移的關(guān)系。現(xiàn)在研究中主要采用W.F.Chen[3][6][7]推導(dǎo)出的考慮連接剛度修正后的轉(zhuǎn)角位移方程：

6. 結(jié)論

由以上的分析可清晰的看出，（2-8）能完整準(zhǔn)確的描述構(gòu)件隨著桿件兩端約束條件的變化承載力跟隨變化的全過(guò)程，將端部連接分別為鉸接、固接和半剛性連接的轉(zhuǎn)角位移方程的表達(dá)統(tǒng)一起來(lái)。同時(shí)在用（2-8）式建立剛度矩陣時(shí)，不必要引入新的獨(dú)立變量分項(xiàng)目就可準(zhǔn)確、連續(xù)地描述結(jié)構(gòu)剛度變化的全過(guò)程。

圖5 ρ=1.0時(shí)彈性分析位移-荷載曲線

參考文獻(xiàn)

[1] Stelmarch， Analysis and tests of flexibly connected steel frames[J] J. of Structural Engineering， ASCE， Vol.112 ，pp.1573-1588 1986.

[2] 陳惠發(fā)著 周綏平譯 《鋼框架穩(wěn)定設(shè)計(jì)》[M] 世界圖書出版公司 上海 1999.8.

[3] W.F.Chen， Practical analysis for semi-rigid frame design"[M] N.Y. World Scientific 1999.10.

[4] Ali etc.， An investigation for semi-rigid frames by different connection models[J] Mathematical and compytational Applications， Vol. 10， No.1， pp 35～44，2005.

[5] M.Soares Filho etc. Wind pressure in framed structures with semi-rigid connections[J] J. of the Braz. Soc. Of Mech. Sci. & Eng.， 2004 Vol. XXVI No.2 pp180～189.

[6] W.F.Chen and S.E.Kim， LRFD steel design using advance analysis[M]， Florida，CRC Press ，1997.

[7] W.F.Chen， Y.Goto and R.Liew， Stability design of semi rigid frames[M]， N.Y. Wiley，1993.