不同荷载组合下门式刚架的承载性能分析.pdfVIP

第五届全国现代结构工程学术研讨会 不同荷载组合下门式刚架的承载性能分析水 李琨 高轩能 (华侨大学土木工程学院，泉州362021) 提要 论文基于有限元分析原理，采用ANSYS程序，对变截面门式刚架在不同荷载组合下的承载性能进行了理论计算和分 析。得到了不同荷载组合作用下，变截面门式刚架的线性和非线性屈曲荷载以及屈曲模态。并将计算结果与现行门 式刚架设计规程进行了比较分析。结果表明，不同的活荷载取值和活恒载比对门式刚架的承载性能影响很大，在设 计时有必要考虑不同地域荷载取值和荷载比的影响a 关键词变截面门式刚架，荷载组合，屈曲模态，荷载比，承载性能 一、引言 轻型门式刚架结构体系具有施工速度快、安装方便、造型轻盈美观、造价低廉等诸多优点【¨，近年来 在我国得到了广泛的应用，已经成为单、多层工业厂房，仓储库房和大跨结构的主要形式之一。 由于我国幅员辽阔，各地自然条件差别极大，导致设计门式刚架时，活荷载的取值差别很大，特别是 风荷载和雪荷载的取值及其组合值相差很大，并对门式刚架的承载性能产生较大影响。例如：在我国东南 沿海地区，无雪荷载但风荷载很大，而在“三北”地区，积雪荷载很大风荷载也很大。门式刚架恒载相对 较小，风荷载和雪荷载的取值及其组合值对门式刚架的内力分布和承载性能影响较大。风荷载较大地区， 风吸力作用可能使刚架结构梁、柱反向受力，使门式刚架的屈曲值发生很大变化。在重雪荷载和强风荷载 作用下，门式刚架的承载性能则可能主要由活荷载控制。另一方面，门式刚架的结构布置和构造设计均按 轻型结构体系进行，未能考虑不同活荷载组合下结构承载性能对结构布置的要求，我国《门式刚架轻型房 屋钢结构技术规程》CECSl02：2002¨J(以下简称“规程”)对上述问题也未做明确规定。 针对以上问题，本文基于二维变截面梁元几何非线性分析理论，对门式刚架进行了几何非线性分析， 通过非线性屈曲分析考察不同荷载组合对门式刚架整体承载性能的影响。比较了不同荷载组合作用下门式 刚架的变形特征、失稳模式和屈曲破坏模式。 二、变截面梁元几何非线性分析方法 (一)变截面梁元的弹性和几何刚度矩阵． 根据虚功原理，得到非线性问题的一般平衡方程为： -- ，r {y{万))=I【BJ·{a}dv一{R)=0 (1) 式中{R}为外荷载矩阵；【B】为位移应变关系矩阵；{o)为单元应力矩阵。在大位移情况下，应变和位移关 系是非线性的，【B】是{o)的函数。 【B】=【Bo】+【吼p}】 (2) K。=I【B。】‘[D】[Bo】咖，K口=I【8￡{仃)】{o}dv 式中k为弹性刚度矩阵；k为几何刚度矩阵。将刚架体系各单元的弹性刚度矩阵、几何刚度矩阵集合， 可得整体刚度矩阵如下： ‘华侨大学科研基金(03Bs406)资助项目 工业建筑2005年增刊 869 第五届全国现代结构工程学术研讨会 (【K￡】+【KG】){△j=扩} (3) 式中【K‘G】为参考荷载向量【S’】作用下对应的几何刚度矩阵。当屈曲荷载向量为Ms+}时，几何总刚度矩阵为 X[K’G】，即屈曲时方程为： ([KE】+允【K‘G】){△}=iF} (4) 其特征向量{△}代表结构屈曲模式。令最小特征值为kin则相应分岔屈曲荷载向量为： {Pc，}=丸i。i尸’} (5) (二)非线性方程组的数值解法和平衡收敛准则 对非线性问题，必须采用带校正的线性近似来求解，将荷载分成一系列的载荷增量，在每一个增量末 端达到平衡收敛后，继续进行下一个荷