二級結(jié)構(gòu)考試輔導:設計方法的新發(fā)展

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目前我國采用的概率極限狀態(tài)設計法的特點是用根據(jù)各種不定性分析所得到的失效概率(或可靠指標)去度量結(jié)構(gòu)的可靠性,并使所計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度達到預期的一致性和可比性。但是該方法還有待發(fā)展,因為用它計算的可靠度還只是構(gòu)件或某一截面的可靠度而不是結(jié)構(gòu)體系的可靠度,該方法也不適用于構(gòu)件或連接的疲勞驗算。
    目前大多數(shù)國家(當然包括我國)采用計算長度法計算鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題。該方法的步驟是:采用一階分析求解結(jié)構(gòu)內(nèi)力,按各種荷載組合求出各桿件的最不利內(nèi)力,按第一類彈性穩(wěn)定問題建立結(jié)構(gòu)達臨界狀態(tài)時的特征方程,確定各壓桿的計算長度;將各桿件隔離出來,按單獨的壓彎構(gòu)件進行穩(wěn)定承載力驗算,驗算中考慮了彈塑性、殘余應力和幾何缺陷等的影響。該方法的特點是采用計算長度系數(shù)來考慮結(jié)構(gòu)體系對被隔離出來的構(gòu)件的影響,計算比較簡單,對比較規(guī)則的結(jié)構(gòu)也可給出較好的結(jié)果。
    規(guī)范GB50017在5.3.3條中列入了有支撐框架柱計算長度系數(shù)的有關條款,并給出了強、弱支撐框架的概念。認為弱支撐不足以阻止框架的側(cè)移,其框架壓桿的穩(wěn)定系數(shù)可利用規(guī)范中查得的相應于有、無側(cè)移框架柱的穩(wěn)定系數(shù)經(jīng)插值求得。該法計算比較簡單,概念也較清楚,完善了有支撐框架的穩(wěn)定計算方法。
    計算長度法存在以下缺陷(以框架結(jié)構(gòu)為例):①不考慮節(jié)間荷載的影響,按理想框架分枝失穩(wěn)求特征值的方法求解穩(wěn)定問題,得不到失穩(wěn)時框架的準確位移,無法精確考慮二階效應的影響;②不能考慮結(jié)構(gòu)體系中內(nèi)力的塑性重分布,因此對大型結(jié)構(gòu)體系常常給出保守的設計,使結(jié)構(gòu)體系的可靠度高于構(gòu)件的可靠度;③不能精確地考慮結(jié)構(gòu)體系與它的構(gòu)件之間的相互影響,無法在給定荷載下預測結(jié)構(gòu)體系的破壞模式;④需要花費大量時間進行各構(gòu)件的承載力驗算,包括計算長度的計算;⑤不便于基于計算機的分析和設計。
    要克服上述問題,必須開展以整個框架結(jié)構(gòu)體系為對象的二階非彈性分析,即所謂高等分析和設計。此時,可求得在特定荷載作用下框架體系的極限承載力和失效模態(tài),而無需對各個構(gòu)件進行驗算。目前歐洲鋼結(jié)構(gòu)試行規(guī)范(EC3)和澳大利亞鋼結(jié)構(gòu)標準都列有二階彈塑性分析或高等分析的條款。我國新規(guī)范則列入了無支撐純框架可采用二階彈性分析的條款。上述的方法主要是用來計算內(nèi)力的,然后還要驗算構(gòu)件的承載力,只是計算長度或取構(gòu)件的實際長度,或者按無側(cè)移框架確定計算長度。
    應當指出,同時考慮幾何非線性和材料非線性的全過程分析(高等分析)給出的結(jié)構(gòu)承載能力,將同時滿足整個體系和它的組成構(gòu)件的強度和穩(wěn)定性的要求,可完全拋棄計算長度和單個構(gòu)件驗算的概念,對結(jié)構(gòu)進行直接的分析和設計。但目前僅平面框架的高等分析和設計法研究的比較成熟,空間框架的高等分析距實用還有很大的一段距離有待跨越。
    高等分析和設計方法的缺陷是:①由于考慮了非線性的影響,對荷載的不同組合都需要單獨進行分析,疊加原理不再適用;②高等分析依賴于精確的計算模型,如果初選截面不合理,將耗費較多的時間調(diào)整截面;③構(gòu)件的局部穩(wěn)定和出平面空間穩(wěn)定必須確保,目前的高等分析還不包括這些方面的驗算內(nèi)容;④該法是基于計算機的設計方法,無法進行手算,因此計算程序的優(yōu)劣將直接影響設計效率。
    高等分析和設計是一個正在發(fā)展和完善的新設計方法,而且是一種較精確的方法,我們可以用其來評價計算長度法的精度和問題,提出有關計算長度法的改進建議。可以預期,在近期內(nèi)這兩種方法將并存,并獲得共同的發(fā)展。今后,隨著計算機技術的發(fā)展,高等分析和設計法將逐漸成為主要的設計方法。對于這一點,我們必須有清醒的認識,應加緊開展相應的研究,以便在下一次鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范修訂時能達到國際相同的水平。