對鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)中考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度及穩(wěn)定問題的討論.pdf

1、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度問題和考慮二階效應(yīng)的穩(wěn)定問題是有軸力與彎矩、剪力同時作用的桿件以及整體結(jié)構(gòu)性能控制中的關(guān)鍵問題。由于二階效應(yīng)及穩(wěn)定問題的復(fù)雜性，至今仍有若干關(guān)鍵問題有待解決。正確理解幾何非線性、屈曲、計算長度等與二階效應(yīng)及穩(wěn)定問題相關(guān)的概念并了解其正確工程應(yīng)用方法對工程設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。
　　近年來，隨著國內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及房地產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多形式復(fù)雜、造型多樣的建筑結(jié)構(gòu)。與上世紀(jì)后期相比，不僅

2、結(jié)構(gòu)高度進(jìn)一步增大，且常出于使用功能需要而在結(jié)構(gòu)中采用了混凝土及鋼筋強(qiáng)度高、負(fù)擔(dān)荷載更重，且長細(xì)度也頗大的越層巨柱、越層周邊框架柱或其他在水平荷載下主要承受較高壓力的撐桿式構(gòu)件（如上海中心的多次越層巨柱、廣州東塔的巨型結(jié)構(gòu)主結(jié)構(gòu)巨柱、廣州西塔的菱形格構(gòu)式外框筒的斜壓構(gòu)件以及其他高層建筑中常遇的越層框架柱等）。針對這些構(gòu)件，結(jié)構(gòu)設(shè)計人有理由關(guān)心其是否存在穩(wěn)定風(fēng)險，并希望得到對其進(jìn)行穩(wěn)定驗算的有效方法。但我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《高層建

3、筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》與其他國家同類規(guī)范類似，都是因以往混凝土結(jié)構(gòu)工程中難以出現(xiàn)穩(wěn)定問題而未給出相應(yīng)規(guī)定，從而存在有待彌補(bǔ)的缺口。另一方面，從最近幾年國內(nèi)學(xué)術(shù)刊物對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)二階效應(yīng)及穩(wěn)定問題進(jìn)行討論的文章中，特別是對上述有穩(wěn)定驗算需求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計方法進(jìn)行討論的文章中也清楚看到，雖有文章對這些問題涉及的概念作了有效的進(jìn)一步澄清，但也確有不少文章在論述中暴露出了對二階效應(yīng)相關(guān)概念、結(jié)構(gòu)二階效應(yīng)規(guī)律及分析方法、計算長度規(guī)定的歷史背景以

4、及各類穩(wěn)定臨界狀態(tài)識別方法有效性的不一定確切的解釋和使用，這對本來就無法從相關(guān)著作和文獻(xiàn)中找到對這些問題的系統(tǒng)、中肯解釋的結(jié)構(gòu)設(shè)計界來說，只能是增加更多的困惑；而結(jié)構(gòu)設(shè)計人在找不到其他有效方法時照抄某些文獻(xiàn)建議的可能存在問題的做法，又必然會在所完成的結(jié)構(gòu)設(shè)計中留下安全隱患。
　　因本論文作者所在學(xué)術(shù)團(tuán)隊自上世紀(jì)70年代后期起一直是參與或參與主持修訂中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》二階效應(yīng)條文規(guī)定的責(zé)任單位，針對上述存在問題有必要作出澄清

5、概念的努力，并針對各種端約束條件下有軸力與彎矩、剪力共同工作的鋼筋混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定驗算的規(guī)范規(guī)定缺口作出研究努力。
　　為此，本論文在團(tuán)隊建議下擬按以下內(nèi)容完成研究任務(wù)：
　?、俸喴f明到目前為止已經(jīng)經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析得到較準(zhǔn)確識別的兩類二階效應(yīng)規(guī)律，即P-△效應(yīng)規(guī)律和P-δ效應(yīng)規(guī)律；對工程界存在爭議的“二階效應(yīng)是否會增大框架梁、柱水平荷載剪力”問題進(jìn)行推導(dǎo)說明，給出相應(yīng)結(jié)論；對《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范

6、》中用于計算剪切型結(jié)構(gòu)P-△效應(yīng)的層增大系數(shù)法和用于計算彎曲、彎剪型結(jié)構(gòu)P-△效應(yīng)的整體增大系數(shù)法，幾何非線性相關(guān)理論和SATWE、ETABS、SAP2000等結(jié)構(gòu)分析計算軟件中用于計算二階效應(yīng)的基于幾何剛度的有限元法（虛柱法）進(jìn)行介紹。希望這些工作能有助于結(jié)構(gòu)設(shè)計人更直觀、準(zhǔn)確地理解各類結(jié)構(gòu)中的二階效應(yīng)變形規(guī)律以及內(nèi)力放大效應(yīng)規(guī)律。
　?、诤喴f明到目前為止中國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》各個版本中所使用過的解決考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度及變

7、形問題的各種思路和方法。
　　③簡要討論結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的有關(guān)問題。對歐拉單柱和整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力及屈曲模態(tài)計算方法進(jìn)行介紹；討論強(qiáng)度、失穩(wěn)和二階效應(yīng)三者的區(qū)別與聯(lián)系；給出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計思路。由此得到關(guān)于穩(wěn)定問題的兩點(diǎn)重要體會：1、從宏觀上講，直至目前解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的思路主要有兩種，一是基于彈性分枝失穩(wěn)概念的計算長度法，該法將整體結(jié)構(gòu)的非彈性失穩(wěn)問題轉(zhuǎn)化為組成結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件的穩(wěn)定驗算問題，雖然在穩(wěn)定問題從結(jié)構(gòu)向構(gòu)件轉(zhuǎn)化的過

8、程中概念理解上會有些復(fù)雜，但是這種轉(zhuǎn)化使穩(wěn)定設(shè)計的過程更為簡化，也更加符合結(jié)構(gòu)設(shè)計人基于構(gòu)件層面的設(shè)計習(xí)慣，因此直至今日，這種基于計算長度的穩(wěn)定設(shè)計方法也仍被結(jié)構(gòu)設(shè)計界大量使用；二是基于彈性漸近線失穩(wěn)或非彈性極值點(diǎn)失穩(wěn)概念的高等分析法，該法直接在分析過程中全面考慮了結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的初始缺陷、幾何非線性和材料非彈性等影響結(jié)構(gòu)和構(gòu)件穩(wěn)定性的各類因素，將考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度失效過程和考慮二階效應(yīng)的穩(wěn)定失效過程作為結(jié)構(gòu)在荷載作用下整個二階非彈性變形過

9、程中的兩個特定階段，用基于結(jié)構(gòu)層面的可靠度設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定設(shè)計；2、在實際工程中普遍存在的彈性漸近線失穩(wěn)和非彈性極值點(diǎn)失穩(wěn)模式下，可認(rèn)為二階效應(yīng)發(fā)展的極限狀態(tài)就是失穩(wěn)，從這個角度講，考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度問題與考慮二階效應(yīng)的失穩(wěn)問題在二階效應(yīng)規(guī)律的體現(xiàn)上具有同源性。
　?、軐τ嬎汩L度進(jìn)行討論，說明以往使用的二階效應(yīng)范疇的計算長度與穩(wěn)定范疇的計算長度之間存在的某些具體差異以及它們所表達(dá)的總體趨勢上的一致性基礎(chǔ)；

10、重點(diǎn)介紹到目前為止已有文獻(xiàn)中從壓桿分枝失穩(wěn)角度討論計算長度的確定方法中給出的各類建議，分析這些建議可能存在的某些不足，并給出本論文作者建議的一種與已經(jīng)給出的各類方法相比更加符合結(jié)構(gòu)實際受力性能的壓桿失穩(wěn)計算長度的確定方法，并說明其應(yīng)用條件。
　?、莺喴榻B目前在國際鋼結(jié)構(gòu)界已經(jīng)有人提出的能夠較好考慮結(jié)構(gòu)體系各類構(gòu)件初始缺陷、二階效應(yīng)（幾何非線性）以及材料非彈性特征的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性驗算方法——高等分析法。
　　本論文希望

11、在梳理、總結(jié)、澄清二階效應(yīng)規(guī)律和考慮二階效應(yīng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定問題相關(guān)概念性問題的基礎(chǔ)上，在使用現(xiàn)有保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能規(guī)定方法的前提下，通過分析提出一種用于確定結(jié)構(gòu)中單根存在失穩(wěn)風(fēng)險的壓桿計算長度的實用方法。這一方法只能視為解決任意約束條件下單桿非線性極值點(diǎn)穩(wěn)定問題的整個方法體系中的第一個關(guān)鍵步驟。在計算長度得到合理確定后，仍有必要通過對端約束條件及端彎矩比例不同的各類壓桿的非線性有限元分析，并考慮可靠度要求，歸納整理出一種能夠便于工程應(yīng)用