工業設備鋼框架結構研究

摘要:工業設備鋼框架結構由于其空間大，布置靈活，目前在很多地方已經取代了傳統的混凝土框架結構，在我國得到了很廣泛的應用。對于工業設備鋼框架的整體極限承載力和變形之間的關系進行了系統了理論分析，通過分析，得出影響鋼框架穩定承載力受多方面因素的影響，包括梁柱的線剛度、節點連接剛度、載荷條件、同層間相互作用等多方面的因素。針對設備鋼框架的應力與應變之間的非線性關系，對非線性分析的方法進行了總結比較，分析了各種非線性分析方法的優缺點、準確度等。最后，對工業設備鋼框架在設計研究中的關鍵點提出了自己的一點理解和建議。

關鍵詞:工業設備鋼框架;承載力分析;穩定性分析;非線性

中圖分類號:TU391 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3198(2010)02-0271-02

鋼框架結構近年來在我國得到了很廣泛的應用，這種結構以其強度高，自重輕，抗震性能好，施工速度快，工業化程度高，可重復使用，效率高等各方面的優點，在工業中很多方面取代了傳統的混凝土結構。

鋼框架結構多數由橫梁與立柱剛接而成。剛性連接的橫梁與普通梁式結構相比，節省鋼材，結構橫向剛度較好，橫梁高度也較小。因此可以增加設備鋼框架內部凈空，減少設備鋼框架的造價和體積，是現代工業設備中一種比較經濟的結構形式。

在進行工業設備剛結構的設計時，對于結構的極限承載力的計算是不可避免的。鋼結構框架設計必須建立在全面的計算分析基礎之上，而分析與設計結果的可靠性、合理性依賴于所采用的分析與設計方法。對于鋼框架結構的穩定性，應從框架的整體穩定方面入手進行分析，然而，目前一般的設計方法是通過控制框架柱的穩定性來間接控制鋼框架的穩定性，而且將設備鋼框架結構的強度條件和穩定性分開計算，《鋼結構設計規范》在進行框架平面內的穩定計算時，柱的有效長度l0按框架的失穩類型(有側移和無側移)，采用根據彈性穩定理論得到的柱的計算長度系數μ，從而，l0=μlc，其中lc為柱的幾何長度，這種分析方法是以單根框架柱的穩定計算代替整體框架的穩定分析。而且，一方面大多數鋼框架結構確實處于彈性工作狀態，另一方面，彈性計算方法簡單，理論計算方法也已經發展的比較成熟，所以，對于這樣的計算，一般通過線彈性的分析方法進行設計分析，但是通過這樣的計算方法，忽略了變形對整體鋼框架結構的內力的影響。在某些地方，由于過大的變形導致結構發生局部塑性屈服而失去承載力，導致結構的實效。對于這樣的情況，進行非線性分析是解決變形影響的有效的方法之一，這也是當前設備鋼框架結構理論研究的一個重點，非線性分析，即在結構分析中充分考慮所有重要的非線性因素，從而可以對結構的實際實效模式進行綜合而全面的評定，并直接獲得結構的整體極限承載力。它主要包含幾何非線性分析和材料非線性分析兩個方面。

目前對于設備鋼框架的準確的非線性分析主要采用兩類非彈性有限元分析模型，一類是擴展塑性模型，即塑性區模型，另一類是集中塑性模型，即塑性鉸模型。采用這兩類有限元分析方法時，需要很大的計算量，計算成本很高，而且非線性分析緩慢費時，當不需要精確求解時，采用近似方法考慮二階彈性效應的簡化方法更為有利。

對于彈性材料，彎矩——曲率關系是線性的，剛性框架的非線性僅由存在的p-delta效應引起。對于這類效應，在研究中常采用的方法有兩輪迭代法、虛擬側向荷載法、迭代重力荷載法、負剛度法、彎矩放大法等。

(1)采用兩輪迭代法來求解二階平衡方程時，兩種P-delta效應均應計入結構分析中。第一輪迭代進行結構一階分析，剛度矩陣不計入二階矩陣。按一節分析結果計算各桿軸力。利用穩定函數或者幾何剛度矩陣修正結構剛度，然后進行第二輪迭代計算。兩輪迭代法所得結果與采用更精確的分析所得結果不相上下，最大差值均在設計應用的容許極限之內。

(2)迭代重力荷載法是在框架側移的位置上加上重力載荷，由此直接考慮P-Δ效應，分析時，僅對設備鋼框架施加側向荷載，接著進行重力荷載分析，這時重力荷載加在已經側移的結構上，其側移值就是水平荷載分析的一階值，然后用前次重力分析所得的位移增量來模擬側移的結構，在作重力分析時，重復進行這樣的重力荷載分析指導位移增量可以忽略為止，和虛擬側向荷載法一樣，當它具有柔性柱的框架和軸力沿框架寬度變化很大的情況，就容易出現失誤。

(3)虛擬側向荷載法又稱為等效側向荷載法，或 迭代法。這個方法之考慮框架失穩或P-Δ效應，忽略桿件失穩的P-δ效應。該法用一組側向荷載來模擬框架失穩效應，為了算出正確的二階彎矩，必須迭代應用虛擬側向荷載法。按照一階分析算得鋼框架的側移，然后計算虛擬剪力和虛擬側向荷載。將虛擬側向荷載和真實側向荷載一起作用，按一階理論重新分析框架結構知道迭代收斂。這個方法通常收斂很快，對于桿件不是很細且跨數較少的框架，它能得到較好的結果。但是，如果框架的桿件太細，這種方法對于某些柱的彎矩的估計存在著較大的失誤。

(4)負剛度法，基本原理是P-Δ效應可以由折減框架側向剛度來模擬，采用負剛度法時，將具有負剛度性質的桿件加到結構上，使其按一階理論就可以得到正確的計入二階效應的側移和彎矩，負剛度法與虛擬側向荷載法，同樣都用一組等效剪力來考慮每層的P-Δ效應。但是在這兩種方法中，計入這些剪力影響的或采用虛擬力來模擬P-delta效應的方式不同，負剛度法中，這些剪力影響在剛度項中計入，但是在虛擬側向載荷法中，這一影響是在荷載項中計入。與虛擬側向荷載法或迭代重力荷載法相比，負剛度法的優點是不需要迭代，只需作一次分析就能得到計入P-Δ效應的彎矩。在將幾何剛度矩陣加入單元的剛度矩陣中P-δ效應也可以忽略。

設備鋼二階非彈性分析中首先應該考慮幾何、材料雙重非線性，為了更加準確和合理的分析框架的結構極限承載力，初始幾何缺陷、殘余應力是輕型鋼結構二階非彈性分析必須要考慮的因素。

在工業設備鋼框架結構中，由于沒有鋼筋混凝土樓板參與工作，各框架之間的空間協同工作性能與平臺梁系統的設置密切相關，平臺平面內剛度越小，二階效應的影響越大。另外，在實際工程中，設備支撐鋼結構框架的結構體系復雜多變，由質量中心與框架的剛度形心的偏差產生的扭轉效應，以及豎向不均勻性還會對整體結構的穩定性產生不利的影響。因此，應該針對工程的具體情況，對結構進行整體空間的穩定性分析。

在工業設備鋼框架結構設計中，首先應該被強調的是“概念設計”，它在結構選型與布置階段尤其重要。對一些難以作出精確理性分析或規范未規定的問題，可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震災、實驗現象和工程經驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。因為鋼結構不同于鋼筋混凝土結構，除了本身的結構設計以外，還有一個同樣重要的節點設計。剛性連接的設計相對來說比較簡單，首先必須以抗震原則“強節點，弱構件”為基礎，然后按照設計規范和構造要求進行計算即可。而對于半剛性連接，以極限狀態設計方法為根本，一方面要滿足正常使用極限狀態的強度和剛度要求;另一方面又要滿足地震作用下延性要求和耗能要求。在一般情況下，半剛性連接很難滿足“強節點，弱構件”的抗震設計要求，因此在設計此類柔性框架時須特別注意。應綜合考慮各種影響連接的因素，然后針對各種連接的破壞模式，選擇設計目標，最后再按照連接處內力計算并選擇連接件。

另外，任何工具的使用都有一定的適用條件，工程設計計算和精確的力學計算本身常有一定距離，為了獲得實用的計算和設計方法，有時會用到誤差較大的假定，但對于這種假定的誤差，必須通過“適用條件，概念及構造”的方式來保證結構的安全。

隨著工業的發展，鋼框架工業廠房應用必將越來越廣泛。鋼框架設計必須采取合適的構件截面形式、穩定的支承、合理的節點設計才能滿足工業的要求。隨著應用的越來越多，鋼框架設計也必將會日趨完善。

參考文獻

[1]李和華.鋼結構連接節點設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，1992.

[2]張永生，錢禮平.淺談多層鋼框架工業廠房的設計[J].建筑設計篇，2008，(15).

[3]冀林柱.反應器框架的施工方案與剛度校核[J].石油工程建設，1987，(1).

[4]章海斌.火電廠鋼結構主廠房抗震分析[D].浙江大學，2009.

[5]ASIC.Manual of stell construction，load and resistance factor design，Chicago:American Institute of Stell Construction，1994.