隨機特性下的鋼框架的強度和可靠性

摘 要：研究隨機特性對強度和可靠性這兩個鋼框架的效果。蒙特卡羅模擬法被用來分析低層工業(yè)框架和儲糧的糧倉。這兩個結(jié)構(gòu)著重通過限制影響他們的強度所損失的鋼架穩(wěn)定性呈現(xiàn)二效應(yīng)。這兩種框架的研究是根據(jù)先前的研究而直接分析來自于2005年美國鋼結(jié)構(gòu)學會鋼結(jié)構(gòu)建筑這本說明書。分析考慮屈服強度的隨機性，彈性模量，殘余應(yīng)力鉛直P-Delta 和筆直P-delta。影響相關(guān)空間的這些實驗也進行研究。結(jié)果確認的重要性包括幾何缺陷為適當?shù)脑u估框架的穩(wěn)定。彈性模具的隨機性和殘余應(yīng)力也顯示出重要影響。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)可靠性；蒙特卡羅方法；鋼架；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；殘余應(yīng)力

中圖分類號：TU3 文獻標志碼：A 文章編號：1673-291X（2013）09-0304-02

一、介紹

美國鋼結(jié)構(gòu)學會2005年：現(xiàn)在允許使用直接分析評估框架估計二階效應(yīng)，直接分析用非線性或第2次序結(jié)構(gòu)分析來估測需要的強度和考慮幾何非線性P1和P2幾何缺陷材料的高產(chǎn)和殘余應(yīng)力。新的直接分析條文認為框架的穩(wěn)定是一種制度現(xiàn)象，因此一個完整的框架非線性分析可以用來準確地描述真實的分布和內(nèi)部力量變形。第一階彈性方法依賴于線性彈性分析有效長度的因素和放大系數(shù)B1和B2的估計。

二階效應(yīng)：在某些情況下，一階方法是過于保守并且在其他情況下其應(yīng)用是不確定或含糊不清。以往的研究已經(jīng)表明更準確率的結(jié)果從真正的二階分析可以用來設(shè)計更有效和最經(jīng)濟的鋼結(jié)構(gòu)。

直接分析方法采用現(xiàn)有的負荷和阻力因素美國剛結(jié)構(gòu)學會2005年提出的。現(xiàn)有的負荷和阻力的因素發(fā)展成假設(shè)為基礎(chǔ)的設(shè)計，使用一階分析并有一個目標，根據(jù)可靠性指標大約為3.0 是bjor 等人于1978年提出的。計算的可靠性結(jié)構(gòu)是一個函數(shù)的概率分布預測的。通常特點是均值和變異系數(shù)，但也受形狀的分布。影響這些因素是由材料所決定的專業(yè)的因素產(chǎn)生而得，現(xiàn)有發(fā)展來實際二階分析出可能改變預測強度分布，其中有不同的統(tǒng)計特性，例如比那些從擴增一階分析直接計算為基礎(chǔ)的失效模式更遠的二階分析，如損失框架的穩(wěn)定作為二階分析捕捉復雜的非線性行為近似分析的關(guān)系，涉及的統(tǒng)計特性的基本屬性，以整體框架的強度來計算通常是不可能的。蒙特卡羅模擬是一種用來研究概率影響的方法，隨機性體現(xiàn)在性能結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)的力量結(jié)構(gòu)。

本文的目的是研究系統(tǒng)的可靠性。鋼結(jié)構(gòu)由于隨機性在屈服強度彈性模量殘余應(yīng)力下得幾何缺陷。結(jié)果是提供進一步的認識上的關(guān)系性能及系統(tǒng)可靠性的鋼架。

二、框架例子

這兩個例子框架本文分析了上頁圖1—兩特點是大型重力負荷和顯著的二階效果。框架1是代表一個大型的工業(yè)大廈并且它的設(shè)計由重力荷載組合1.2D+1.6L.中心的彎曲提供所有側(cè)面穩(wěn)定，提供所有的橫向穩(wěn)定性，而外層空間，每個模型柱都表現(xiàn)出傾斜。框架2是一個糧食儲藏的支持結(jié)構(gòu)，其設(shè)計也是由重力荷載控制。中間的橫向支撐使準確地估計有效長度更為困難。這些框架的研究先前在由Martinez-Garci_2002_，Deierlein _2003_，andSurovek-Maleck and White2004a，b所寫的著作出現(xiàn)過。這些框架是由第一順序彈性方法設(shè)計，由有效的長度因素和框架穩(wěn)定因素改進得來。但是，第2分析展示出框架在某種程度上耐用很多并且盡可能的有效。deierlein 2003年聲明這框架有多出17 %大于必要重力載荷；框架2是 2.13 %。在這些框架的型號大小沒有根據(jù)第2順序分析法來定。

（一）框架分析方法

所有結(jié)構(gòu)分析出自于1.6.2麥肯納版本說明書和2005年版的說明書，包括幾何非線性行為和彈性—塑性材料模型。包括位移，梁柱分子與立方形狀等的因素。截面高產(chǎn)軸矩的相互作用被用來制作纖維元素模型，在這4點中沿元素的長度發(fā)生變化。制服重力載荷框架1適用等同交點載荷沿梁的長度。所有的分析與隨機屈服強度，模量或殘余應(yīng)力，包括初步估計它不能高于1/500H的建筑物高度，以框架成為一個橫向穩(wěn)定性失效模式。對角線框架2模型的25.4毫米直徑棒于2003年提出，是為了在實施過程縮小范圍節(jié)約材料。雙方對角線包括初步預應(yīng)力26.5千牛，以防止彈性屈曲不低于該負荷值到框架沒有因此失穩(wěn)。典型荷載位移圖每一框架顯示在上頁圖2 。分析與材料性能和初步擺動。負荷比國家規(guī)范定義總額的比例適用于負荷框架未能總額名義重力負載。由于國家規(guī)范是基于應(yīng)用的負荷破壞，它也可能被解釋作為正常化的框架強度的最低標準。一處為1.0對應(yīng)的一適用于負荷的DN + LN的，那里的活荷載見于在上頁圖1。10 000個隨機變量考慮結(jié)構(gòu)分析樣本的表現(xiàn)與每個樣品有不同隨機值的財產(chǎn)審議和名義價值的其余性能的隨機變量。

（二）隨機變量的特性

下列屬性的框架被視為隨機數(shù)屈服應(yīng)力彈性模量E 美中不足低于出直線不夠好，頻繁的壓縮殘余應(yīng)力。 屈服應(yīng)力模型作為一個正常的分布與平均價值1.1和0.06 菲英島的巴特萊特等人定義收益率強度345 MPa。以彈性模量為藍本，作為正態(tài)分布與均值0.993其中英文名義模量由2000年全球行動綱領(lǐng)巴特萊特等人定義。2003年再次二箱子的空間相關(guān)性被認為是不相關(guān)和完全相關(guān)欄目。幅度擺動及不完善的藍本作為統(tǒng)一的分布與下限為零上限限制= h/500擺動或= 1/1 000為弓的基礎(chǔ)上最高許可之差在代碼中的標準做法出自美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)2000年。提出不完善的地方的形狀模型線性形狀模型，作為一個半正弦波。增加橫向的撓度，從而二階勢力結(jié)果確認的重要性，包括幾何缺陷為適當?shù)脑u估框架的穩(wěn)定。兩個不同的時空分布初步擺動及不完善被認為是大小和方向的不完善并且和所有柱無關(guān)，但和幅度和方向是完全相關(guān)。隨機中有缺陷的方向與平等的概率在每個方向無關(guān)的情況會發(fā)生，如果有抽樣誤差在安置欄基地，或在梁的長度，那個相關(guān)情況會發(fā)生。如果間隔欄基地正是兼容與梁的長度，殘余應(yīng)力均假定不同的線性。作為框架的強項是表示在條款負荷的比例，負荷分布也正常化由總名義負荷。

（三）框架1結(jié)果分析

名義屈服應(yīng)力和彈性模量，無殘余應(yīng)力是一個完美的初步幾何和垂直重力載荷應(yīng)用，框架架1未能在總土地注冊處處長的2.76 。失敗的框架是由于非彈性屈曲的兩個中間欄目的C2 和C3 。軸向力在每一列是1 997千牛（449），再加上一個頻繁的階段，153千牛每米（1 357）英寸在頂部的每一欄。部分高產(chǎn)發(fā)生在列前屈曲，但充分塑化，或塑料。因為框架和荷載的完全對稱，框架并不展現(xiàn)橫向擺動。不過初始缺陷將產(chǎn)生橫向故障模式，在一個規(guī)模較小的負荷比與名義材料性能和初步搖擺到最右側(cè)的H / 500 框架1。不能在土地注冊處的圖1.80 左欄中間的地方，C2的經(jīng)驗最大的總需求量為第二階矩是相同的注冊為非線性彈性矩；軸向力是1 272千牛286，最高的時刻是236千牛米2 092英寸在最上方。這些結(jié)果同意這些報道，源于馬丁內(nèi)斯— 加西亞2002年。 統(tǒng)計力量為所有的分析框架1給出了顯示的性能，直方圖為無關(guān)及相關(guān)情況，以及作為正態(tài)分布與同樣的均值和方差。彈性模量，殘余應(yīng)力影響空間相關(guān)的這些物體實驗也進行了研究。垂直軸線的所有直方圖正常化，以概率密度除以出現(xiàn)次數(shù)總數(shù)的樣品和榀的寬度。那個相關(guān)屈服強度之間的欄目有一個不容忽視效應(yīng)對均值和框架的實力。平均幀實力的名義框架強度與初始擺動的比例是1.845/1.80=1.02，這是明顯低于比例的平均屈服強度。散射的圖是該框架強度的隨機收益率。

（四）框架2結(jié)果分析

依據(jù)名義屈服應(yīng)力和彈性模量，沒有殘余應(yīng)力是一個完美的初步幾何和垂直重力載荷應(yīng)用的理想狀態(tài)。框架2在負荷比為2.48沒有橫向的偏移的情況下失敗。兩柱的屈服是由于一軸個1 982千牛（445.5）軸力，此時是忽略不計。柱間的運動是不可忽略的，在名義上的材料性能和初步偏移缺陷在500/H到最右點框架負荷比率為1.58時刻未能呈現(xiàn)橫向擺動模式。內(nèi)部擺動導致在較低的水平支撐下出現(xiàn)柱間運動，最終造成了塑性鉸形成。失效柱軸力在C1和C2處是1 219千牛和1 308千牛，分別為最高時刻，在每一列大約是61千牛每537英寸。在丁內(nèi)斯—加西亞于2002年同意了這些結(jié)果。所有框架2分析的統(tǒng)計摘要。自由屈服下柱強度顯示出兩者之間的微妙聯(lián)系。外框架和中框架的換算比率是1.625/ 1.58=1.03，遠遠小于中框架和外框架的比FymFyn=1.10。在不相關(guān)的屈服力表10（a）顯示了一組嚴密相關(guān)樣本和一帶相對疏散弱樣本。相關(guān)波段包含這些樣品是屈服應(yīng)力C1小于C2的。該散點圖在10（b）樣本只包括C1的Fy是兩柱中最小的C2的顯示相同的特點。顯示出2框的失敗是由最小屈服壓力的柱引起的，二階勢力在框架2沒有足夠大的以抵消的低屈服強度的效果。這是相比較框架1，左側(cè)的柱永遠克制失敗，在最小屈服應(yīng)力的獨立位置，在這種情況下一個失敗模型和只有兩個柱，它們之間的相互關(guān)系是相對容易理解的。對于更多的框架和失敗的連鎖效應(yīng)，框架力和隨機特性之間的簡單關(guān)系不復存在。

[責任編輯 魏 杰]