作者简介:《钢结构设计规范》GB50017-2003修订组副主编;标准化协会第五届钢结构专业委员会副秘书长;北京京诚华宇建筑设计研究院技术总监;CERI-LUSAS钢结构设计软件负责人;近年来参加了国家标准《建筑钢结构防火技术规范》、《工程结构设计通用符号标准》、《工程结构设计基本术语标准》、《高强钢设计标准》、《工业建筑抗震设计标准》的编制。
钢结构稳定设计一般采用计算长度法,即分析方法基于线弹性分析,采用折减柱子承载能力或放大一阶线性弯矩的方法来考虑二阶效应,其本质是基于欧拉失稳理论,假定所有柱子同时屈曲,这也是03规范规定的稳定设计方法,即内力计算采用线弹性分析,构件采用计算长度法进行稳定性设计来近似解决结构的稳定性问题。由于结构的稳定承载力除与初始缺陷及残余应力相关外,实际上还与结构体系、荷载条件、约束条件等等均有关系,因此,规范规定的计算长度计算方法仅仅是某种特定条件下的解析解,所以计算长度法作为一种近似的稳定设计方法,隐含着对结构刚度的需求,这点从事钢结构稳定的研究者心知肚明,因此,空间网格规程规定刚度较差的单层网壳以及厚度小于跨度1/50的双层网壳应进行稳定性计算,进行稳定性计算时需要考虑几何非线性。
直接分析法则直接在内力计算时考虑结构的二阶效应,即在初始模型中考虑结构整体的初始缺陷Δ0,构件局部的初始几何缺陷及残余应力采用由四条柱子曲线拟合而来的构件初始缺陷δ0 考虑,同时在计算时可考虑节点刚度的影响,以及材料的非线性,其特点是不需采用确定性较差的计算长度系数,仅需进行截面承载力的校核,即可同时保证结构整体稳定性和局部构件的稳定性。
方法一
一阶弹性分析与设计即传统的计算长度法
方法二
二阶P-Δ弹性分析与设计
方法三
直接分析设计法
这三种方法的精度与适用范围依次提高。值得提醒的是,作为精度最高的稳定设计手法,对于计算软件的非线性处理方式有着更高的精度要求。
直接分析法的引进一方面为结构工程师实现各种建筑创意提供一个适用的工具,同时,使得钢结构稳定设计更为安全、经济。目前,除《钢结构设计标准》GB50017-2017外,直接分析法也已经纳入欧美、中国香港钢结构设计规范,并有代替计算长度法成为主流钢结构稳定设计方法的趋势。