專利名稱：一種多層懸挑鋼結構中優化靜力延性性能的方法
技術領域：
本發明涉及一種建筑結構設計方法，更詳細的說是一種適用于多層懸挑鋼結構(多層懸挑鋼結構指具備二層及以上懸挑結構層，并且懸挑結構層具有承載功能的鋼結構體系)的延性性能化設計方法。
背景技術：
隨著人類物質文明和精神文明的發展，土木工程領域中的大跨度空間杰作不斷涌現，層出不窮，一次又一次的展現著人類創新之美。大懸挑結構體系，像一座被抬升“漂浮”在基座上的“云朵”，以簡潔、安靜、沉穩的形態回應周邊的城市環境。眾所周知，對于大懸挑結構，最難克服的兩個主要結構問題是結構重力和體系的穩定性。由于結構豎向剛度不規貝U，下部支撐柱樓層抗側剛度小，自然形成下柔上剛的不規則體系；為實現大跨度空間、大·懸挑結構，工程師們主要從以下幾個方面進行考慮，比如，如何減輕結構重量(尤其是屋頂重量)，如何防止其發生大變形失穩。結構的延性是指在外力作用下，結構超過彈性階段后，其承載能力無顯著下降的情況下，結構的后期非彈性變形能力。延性是控制結構穩定性的一個重要方面，同時靜力荷載對結構受力及變形的影響不可忽視。現實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構在自重下垮塌等，因此，有必要對多層懸挑結構提出一種新的靜力延性性能的設計方法。與以往發明不同的是，本發明提出通過調整多層懸挑鋼結構的外圍結構形式來優化其靜力延性性能，提出利用體系穩定承載力系數和體系大變形能力系數雙控指標的控制結構體系靜力延性性能的方法。
發明內容
本發明的目的，就是提供一種多層懸挑鋼結構中優化靜力延性性能的方法，使多層懸挑鋼結構滿足建筑使用要求及安全性的前提下，同時具有良好的穩定性和經濟性。為解決上述問題，一種多層懸挑鋼結構中優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現的
步驟①，建立多層懸挑鋼結構的樓層結構模型，進行靜力作用下樓層鋼結構桿件布置與截面初步設計。步驟②，在懸挑樓層端部的周邊，設置豎向布置或斜向布置的外圍結構，將所有懸挑樓層相連；優選的，懸挑樓層端部的周邊各面的外圍結構能夠構成一個封閉結構，更為優選的，懸挑結構為雙軸或中心對稱的平面內剛度更大的結構；
進行靜力作用下樓層鋼結構、豎向連接結構的布置與截面設計。步驟③，進行多層懸挑鋼結構靜力承載全過程計算。計算分析時，結構材料模型設定為非線性屬性，并在計算過程考慮結構體系幾何非線性。計算得出體系的穩定承載力和大變形能力。步驟④，多層懸挑鋼結構靜力延性性能判定根據步驟③的計算結果，判定體系穩定承載力系數和體系大變形能力系數(簡稱雙控指標系數)是否同時不小于對應的限值
i[PA}, [a ]，如不滿足，若不滿足，重復步驟②和步驟③，通過調整連接各懸挑樓層的豎向布 置或斜向布置的外圍結構截面及布置形式，改變體系穩定承載力系數和體系大變形能力系
數，直至二者同時不小于對應的限值l[g ], [A ]。若雙控指標系數滿足要求，多層懸挑鋼結構靜力延性性能設計完成。
本發明具有如下有益效果
(1)提出了一種便于工程實施的靜力延性性能雙控指標系數方法，對多層懸挑鋼結構的靜力延性性能分析有了科學量化的定義方法；
(2)建議了多層懸挑鋼結構靜力延性性能雙控指標的合理取值范圍；
(3)顯著提高了多層懸挑鋼結構抗倒塌能力，使結構在破壞前有良好的征兆；
(4)提出了通過改變外網格形式能夠有效提高多層懸挑結構的靜力延性性能和整體穩定性的方法，同時降低結構整體用鋼量，提升經濟性。
圖I為本發明方法的流程圖。圖2為本發明所涉及的二層懸挑鋼結構平面示意圖。圖3為本發明所涉及的二層懸挑鋼結構A-A剖面示意圖。圖4為圖2中外圍結構3的一種實現形式直桿方式。圖5為圖2中外圍結構3的一種實現形式交叉桿方式。圖6為圖2中外圍結構3的一種實現形式四邊形網格方式。圖7為圖2中外圍結構3的一種實現形式三角形網格方式。圖8為體系穩定承載力系數/^與體系大變形能力系數D的關系曲線。圖9為本發明實施例多層懸挑鋼結構構成示意。圖10為本發明實施例三種多層懸挑鋼結構模型結構荷載-位移全過程曲線。
下面參照附圖對本發明進一步說明。附圖標記說明
I——下部樓層結構；2——上部樓層結構；3——外圍結構。分別表示體系穩定承載力系數和體系大變形能力系數；Psp 分別表示P-D曲線的體系破壞荷載系數和體系極限大變形系數；當曲線存在明顯屈服點且屈服點辨別無爭議時，P;、Df分別表示/曲線明顯屈服拐點處的屈服荷載系數和體系屈服變形系數。圖10中，縱坐標軸Z7表示荷載標準值加載倍數,橫坐標軸V表示位移，曲線a表示模型I最大位移點荷載倍數位移曲線，曲線b表示模型2最大位移點荷載倍數位移曲線，曲線c表示模型3最大位移點荷載倍數位移曲線。
具體實施例方式結合附圖，以二層懸挑鋼結構為實施例對該方法作詳細說明。該多層懸挑鋼結構中優化靜力延性性能的方法，按如下步驟依次實現
步驟①
如圖I及圖2、圖3所示，在計算機中建立樓層結構I和樓層結構2模型，并對其桿件布置和截面進行初步設計；下部樓層結構I和上部樓層結構2可以為鋼桁架或鋼網架或其它結構形式。此過程可借助結構設計軟件輔助進行，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構3，外圍結構3在圖3剖面圖中的布置方式為豎向布置或斜向布置；外圍結構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)、四邊形網格方式連接各懸挑樓層端部(圖6)、三角形網格方式連接各懸挑樓層端部(圖7)。優選的，外圍結構3在平面布置圖中(圖2)的布置方式為封閉、對稱結構，且形成整體剛度良好的外圍結構，可以是網格結構。優化過程中，首先調整外圍結構3的平面布局，使外圍結構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所示四邊形網格方式、圖7三角形網格方式，但不限于此);第三，調整外圍結構3的豎向傾角。通過以上方面，實現對多層懸挑鋼結構靜力延性性能的優化。步驟③
進行同時考慮材料非線性和幾何非線性的多層懸挑鋼結構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行分析模擬，將鋼材材料本構關系定義為雙線性應力-應變曲線，計算過程中考慮結構幾何大變形效應。計算分析結束后，繪制如圖8所示體系穩定承載力系數P與體系大變形能力系數D的關系曲線。步驟④
進行多層懸挑鋼結構靜力延性性能判定。根據圖8中曲線及如下公式確定體系穩定承載力系數和體系大變形能力系數
權利要求
1.一種多層懸挑鋼結構中優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建立多層懸挑鋼結構的樓層結構模型，進行靜力作用下樓層鋼結構桿件布置與截面初步設計； 步驟②在懸挑樓層端部的周邊，設置豎向布置或斜向布置的外圍結構，將所有懸挑樓層相連；進行靜力作用下樓層鋼結構、豎向連接結構的布置與截面設計； 步驟③進行多層懸挑鋼結構靜力承載全過程計算，計算分析時，結構材料模型設定為非線性屬性，并在計算過程考慮結構體系幾何非線性；計算得出體系的穩定承載力和大變形能力； 步驟④多層懸挑鋼結構靜力延性性能判定根據步驟③的計算結果，判定體系穩定承載力系數和體系大變形能力系數是否同時不小于對應的限值； 若不滿足，重復步驟②和步驟③，通過調整連接各懸挑樓層的豎向布置或斜向布置的外圍結構截面及布置形式，改變體系穩定承載力系數和體系大變形能力系數，直至二者同時不小于對應的限值； 若二者滿足上述條件時，多層懸挑鋼結構靜力延性性能設計完成。
2.根據權利要求I所述的優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構能夠構成一個封閉結構。
3.根據權利要求I或權利要求2所述的優化靜力延性性能的方法，其特征在于所述懸挑結構為雙軸或中心對稱的平面內剛度更大的結構。
4.根據權利要求1-3中任一權利要求所述的優化靜力延性性能的方法，其特征在于所述外圍結構為直桿式、交叉桿式、或網格結構。
5.根據權利要求1-4所述的優化靜力延性性能的方法，其特征在于所述外圍結構為四邊形網格或三角形網格。
全文摘要
本發明涉及一種多層懸挑鋼結構中優化靜力延性性能的方法，所述的方法是依次按以下步驟實現的首先，建立多層懸挑鋼結構的樓層結構模型，進行靜力作用下樓層鋼結構桿件布置與截面初步設計；其次，在懸挑樓層端部的周邊，設置豎向布置或斜向布置的外圍結構，將所有懸挑樓層相連；進行靜力作用下樓層鋼結構、豎向連接結構的布置與截面設計；再次，進行多層懸挑鋼結構靜力承載全過程計算；然后根據計算結果，判定體系穩定承載力系數和體系大變形能力系數是否同時不小于限值，如不滿足，返回前面步驟，調整連接各懸挑樓層的豎向布置或斜向布置的外圍結構截面及布置形式，直至滿足上述條件，完成多層懸挑鋼結構靜力延性性能設計。該設計方法可顯著提高多層懸挑鋼結構抗倒塌能力，同時降低結構整體用鋼量，提升經濟性。
文檔編號E04B5/43GK102704605SQ20121009573
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月4日 優先權日2012年4月4日
發明者劉鑫剛, 張國軍, 王樹, 葛家琪, 馬伯濤 申請人:中國航空規劃建設發展有限公司