專利名稱：一種多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)中優(yōu)化靜力延性性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，更詳細(xì)的說是一種適用于多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)(多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)指具備二層及以上懸挑結(jié)構(gòu)層，并且懸挑結(jié)構(gòu)層具有承載功能的鋼結(jié)構(gòu)體系)的延性性能化設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
隨著人類物質(zhì)文明和精神文明的發(fā)展，土木工程領(lǐng)域中的大跨度空間杰作不斷涌現(xiàn)，層出不窮，一次又一次的展現(xiàn)著人類創(chuàng)新之美。大懸挑結(jié)構(gòu)體系，像一座被抬升“漂浮”在基座上的“云朵”，以簡潔、安靜、沉穩(wěn)的形態(tài)回應(yīng)周邊的城市環(huán)境。眾所周知，對于大懸挑結(jié)構(gòu)，最難克服的兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)問題是結(jié)構(gòu)重力和體系的穩(wěn)定性。由于結(jié)構(gòu)豎向剛度不規(guī)貝U，下部支撐柱樓層抗側(cè)剛度小，自然形成下柔上剛的不規(guī)則體系；為實(shí)現(xiàn)大跨度空間、大·懸挑結(jié)構(gòu)，工程師們主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮，比如，如何減輕結(jié)構(gòu)重量(尤其是屋頂重量)，如何防止其發(fā)生大變形失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)的延性是指在外力作用下，結(jié)構(gòu)超過彈性階段后，其承載能力無顯著下降的情況下，結(jié)構(gòu)的后期非彈性變形能力。延性是控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的一個(gè)重要方面，同時(shí)靜力荷載對結(jié)構(gòu)受力及變形的影響不可忽視?，F(xiàn)實(shí)工程中存在很多由于延性差造成工程垮塌的案例，僅近年，美國某體育館頂棚在大雪中垮塌，我國某體育場懸挑結(jié)構(gòu)在自重下垮塌等，因此，有必要對多層懸挑結(jié)構(gòu)提出一種新的靜力延性性能的設(shè)計(jì)方法。與以往發(fā)明不同的是，本發(fā)明提出通過調(diào)整多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)的外圍結(jié)構(gòu)形式來優(yōu)化其靜力延性性能，提出利用體系穩(wěn)定承載力系數(shù)和體系大變形能力系數(shù)雙控指標(biāo)的控制結(jié)構(gòu)體系靜力延性性能的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就是提供一種多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)中優(yōu)化靜力延性性能的方法，使多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)滿足建筑使用要求及安全性的前提下，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。為解決上述問題，一種多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)中優(yōu)化靜力延性性能的方法，其特征在于所述的方法是依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)的
步驟①，建立多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)的樓層結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行靜力作用下樓層鋼結(jié)構(gòu)桿件布置與截面初步設(shè)計(jì)。步驟②，在懸挑樓層端部的周邊，設(shè)置豎向布置或斜向布置的外圍結(jié)構(gòu)，將所有懸挑樓層相連；優(yōu)選的，懸挑樓層端部的周邊各面的外圍結(jié)構(gòu)能夠構(gòu)成一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，更為優(yōu)選的，懸挑結(jié)構(gòu)為雙軸或中心對稱的平面內(nèi)剛度更大的結(jié)構(gòu)；
進(jìn)行靜力作用下樓層鋼結(jié)構(gòu)、豎向連接結(jié)構(gòu)的布置與截面設(shè)計(jì)。步驟③，進(jìn)行多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)靜力承載全過程計(jì)算。計(jì)算分析時(shí)，結(jié)構(gòu)材料模型設(shè)定為非線性屬性，并在計(jì)算過程考慮結(jié)構(gòu)體系幾何非線性。計(jì)算得出體系的穩(wěn)定承載力和大變形能力。步驟④，多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)靜力延性性能判定根據(jù)步驟③的計(jì)算結(jié)果，判定體系穩(wěn)定承載力系數(shù)和體系大變形能力系數(shù)(簡稱雙控指標(biāo)系數(shù))是否同時(shí)不小于對應(yīng)的限值
i[PA}, [a ]，如不滿足，若不滿足，重復(fù)步驟②和步驟③，通過調(diào)整連接各懸挑樓層的豎向布 置或斜向布置的外圍結(jié)構(gòu)截面及布置形式，改變體系穩(wěn)定承載力系數(shù)和體系大變形能力系
數(shù)，直至二者同時(shí)不小于對應(yīng)的限值l[g ], [A ]。若雙控指標(biāo)系數(shù)滿足要求，多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)靜力延性性能設(shè)計(jì)完成。
本發(fā)明具有如下有益效果
(1)提出了一種便于工程實(shí)施的靜力延性性能雙控指標(biāo)系數(shù)方法，對多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)的靜力延性性能分析有了科學(xué)量化的定義方法；
(2)建議了多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)靜力延性性能雙控指標(biāo)的合理取值范圍；
(3)顯著提高了多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)抗倒塌能力，使結(jié)構(gòu)在破壞前有良好的征兆；
(4)提出了通過改變外網(wǎng)格形式能夠有效提高多層懸挑結(jié)構(gòu)的靜力延性性能和整體穩(wěn)定性的方法，同時(shí)降低結(jié)構(gòu)整體用鋼量，提升經(jīng)濟(jì)性。


圖I為本發(fā)明方法的流程圖。圖2為本發(fā)明所涉及的二層懸挑鋼結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖3為本發(fā)明所涉及的二層懸挑鋼結(jié)構(gòu)A-A剖面示意圖。圖4為圖2中外圍結(jié)構(gòu)3的一種實(shí)現(xiàn)形式直桿方式。圖5為圖2中外圍結(jié)構(gòu)3的一種實(shí)現(xiàn)形式交叉桿方式。圖6為圖2中外圍結(jié)構(gòu)3的一種實(shí)現(xiàn)形式四邊形網(wǎng)格方式。圖7為圖2中外圍結(jié)構(gòu)3的一種實(shí)現(xiàn)形式三角形網(wǎng)格方式。圖8為體系穩(wěn)定承載力系數(shù)/^與體系大變形能力系數(shù)D的關(guān)系曲線。圖9為本發(fā)明實(shí)施例多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成示意。圖10為本發(fā)明實(shí)施例三種多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)荷載-位移全過程曲線。
下面參照附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。附圖標(biāo)記說明
I——下部樓層結(jié)構(gòu)；2——上部樓層結(jié)構(gòu)；3——外圍結(jié)構(gòu)。分別表示體系穩(wěn)定承載力系數(shù)和體系大變形能力系數(shù)；Psp 分別表示P-D曲線的體系破壞荷載系數(shù)和體系極限大變形系數(shù)；當(dāng)曲線存在明顯屈服點(diǎn)且屈服點(diǎn)辨別無爭議時(shí)，P;、Df分別表示/曲線明顯屈服拐點(diǎn)處的屈服荷載系數(shù)和體系屈服變形系數(shù)。圖10中，縱坐標(biāo)軸Z7表示荷載標(biāo)準(zhǔn)值加載倍數(shù),橫坐標(biāo)軸V表示位移，曲線a表示模型I最大位移點(diǎn)荷載倍數(shù)位移曲線，曲線b表示模型2最大位移點(diǎn)荷載倍數(shù)位移曲線，曲線c表示模型3最大位移點(diǎn)荷載倍數(shù)位移曲線。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖，以二層懸挑鋼結(jié)構(gòu)為實(shí)施例對該方法作詳細(xì)說明。該多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)中優(yōu)化靜力延性性能的方法，按如下步驟依次實(shí)現(xiàn)
步驟①
如圖I及圖2、圖3所示，在計(jì)算機(jī)中建立樓層結(jié)構(gòu)I和樓層結(jié)構(gòu)2模型，并對其桿件布置和截面進(jìn)行初步設(shè)計(jì)；下部樓層結(jié)構(gòu)I和上部樓層結(jié)構(gòu)2可以為鋼桁架或鋼網(wǎng)架或其它結(jié)構(gòu)形式。此過程可借助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件輔助進(jìn)行，如MIDAS、SAP2000。步驟②
如圖I及圖2 圖7所示，在懸挑樓層端部布置外圍結(jié)構(gòu)3，外圍結(jié)構(gòu)3在圖3剖面圖中的布置方式為豎向布置或斜向布置；外圍結(jié)構(gòu)3在立面的布置方式可為直桿方式連接各懸挑樓層端部(圖4)、交叉桿方式連接各懸挑樓層端部(圖5)、四邊形網(wǎng)格方式連接各懸挑樓層端部(圖6)、三角形網(wǎng)格方式連接各懸挑樓層端部(圖7)。優(yōu)選的，外圍結(jié)構(gòu)3在平面布置圖中(圖2)的布置方式為封閉、對稱結(jié)構(gòu)，且形成整體剛度良好的外圍結(jié)構(gòu)，可以是網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。優(yōu)化過程中，首先調(diào)整外圍結(jié)構(gòu)3的平面布局，使外圍結(jié)構(gòu)3趨于封閉、單軸對稱或雙軸對稱或中心對稱；其次，改變各懸挑樓層端部間的連接方式(如圖4所示直桿方式、圖5所示交叉桿方式、圖6所示四邊形網(wǎng)格方式、圖7三角形網(wǎng)格方式，但不限于此);第三，調(diào)整外圍結(jié)構(gòu)3的豎向傾角。通過以上方面，實(shí)現(xiàn)對多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)靜力延性性能的優(yōu)化。步驟③
進(jìn)行同時(shí)考慮材料非線性和幾何非線性的多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)靜力承載全過程分析(簡稱“雙非線性屈曲分析”)。雙非線性屈曲分析一般在ANSYS等通用有限元軟件中進(jìn)行分析模擬，將鋼材材料本構(gòu)關(guān)系定義為雙線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，計(jì)算過程中考慮結(jié)構(gòu)幾何大變形效應(yīng)。計(jì)算分析結(jié)束后，繪制如圖8所示體系穩(wěn)定承載力系數(shù)P與體系大變形能力系數(shù)D的關(guān)系曲線。步驟④
進(jìn)行多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)靜力延性性能判定。根據(jù)圖8中曲線及如下公式確定體系穩(wěn)定承載力系數(shù)和體系大變形能力系數(shù)
權(quán)利要求
1.一種多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)中優(yōu)化靜力延性性能的方法，其特征在于所述的方法包括以下步驟 步驟①建立多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)的樓層結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行靜力作用下樓層鋼結(jié)構(gòu)桿件布置與截面初步設(shè)計(jì)； 步驟②在懸挑樓層端部的周邊，設(shè)置豎向布置或斜向布置的外圍結(jié)構(gòu)，將所有懸挑樓層相連；進(jìn)行靜力作用下樓層鋼結(jié)構(gòu)、豎向連接結(jié)構(gòu)的布置與截面設(shè)計(jì)； 步驟③進(jìn)行多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)靜力承載全過程計(jì)算，計(jì)算分析時(shí)，結(jié)構(gòu)材料模型設(shè)定為非線性屬性，并在計(jì)算過程考慮結(jié)構(gòu)體系幾何非線性；計(jì)算得出體系的穩(wěn)定承載力和大變形能力； 步驟④多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)靜力延性性能判定根據(jù)步驟③的計(jì)算結(jié)果，判定體系穩(wěn)定承載力系數(shù)和體系大變形能力系數(shù)是否同時(shí)不小于對應(yīng)的限值； 若不滿足，重復(fù)步驟②和步驟③，通過調(diào)整連接各懸挑樓層的豎向布置或斜向布置的外圍結(jié)構(gòu)截面及布置形式，改變體系穩(wěn)定承載力系數(shù)和體系大變形能力系數(shù)，直至二者同時(shí)不小于對應(yīng)的限值； 若二者滿足上述條件時(shí)，多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)靜力延性性能設(shè)計(jì)完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的優(yōu)化靜力延性性能的方法，其特征在于所述的懸挑樓層端部的周邊各面的外圍結(jié)構(gòu)能夠構(gòu)成一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的優(yōu)化靜力延性性能的方法，其特征在于所述懸挑結(jié)構(gòu)為雙軸或中心對稱的平面內(nèi)剛度更大的結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一權(quán)利要求所述的優(yōu)化靜力延性性能的方法，其特征在于所述外圍結(jié)構(gòu)為直桿式、交叉桿式、或網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的優(yōu)化靜力延性性能的方法，其特征在于所述外圍結(jié)構(gòu)為四邊形網(wǎng)格或三角形網(wǎng)格。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)中優(yōu)化靜力延性性能的方法，所述的方法是依次按以下步驟實(shí)現(xiàn)的首先，建立多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)的樓層結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行靜力作用下樓層鋼結(jié)構(gòu)桿件布置與截面初步設(shè)計(jì)；其次，在懸挑樓層端部的周邊，設(shè)置豎向布置或斜向布置的外圍結(jié)構(gòu)，將所有懸挑樓層相連；進(jìn)行靜力作用下樓層鋼結(jié)構(gòu)、豎向連接結(jié)構(gòu)的布置與截面設(shè)計(jì)；再次，進(jìn)行多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)靜力承載全過程計(jì)算；然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，判定體系穩(wěn)定承載力系數(shù)和體系大變形能力系數(shù)是否同時(shí)不小于限值，如不滿足，返回前面步驟，調(diào)整連接各懸挑樓層的豎向布置或斜向布置的外圍結(jié)構(gòu)截面及布置形式，直至滿足上述條件，完成多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)靜力延性性能設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方法可顯著提高多層懸挑鋼結(jié)構(gòu)抗倒塌能力，同時(shí)降低結(jié)構(gòu)整體用鋼量，提升經(jīng)濟(jì)性。
文檔編號(hào)E04B5/43GK102704605SQ20121009573
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月4日
發(fā)明者劉鑫剛, 張國軍, 王樹, 葛家琪, 馬伯濤 申請人:中國航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司