鋼框架高級分析中的改進(jìn)塑性鉸法

1、鋼框架高級分析中的改進(jìn)塑性鉸法         06-03-15 14:48:00     作者：李文嶺 郝際平    編輯：studa9ngns摘要：本文回顧了鋼框架高級分析的幾種方法和研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了改進(jìn)塑性鉸法對鋼框架的分析和設(shè)計，并討論了當(dāng)前高級分析及改進(jìn)塑性鉸法存在的困難，為高級分析方法的進(jìn)一步發(fā)展提供參考。 關(guān)鍵詞：塑性鉸 非線性分析 高級分析 鋼框架 設(shè)計方法  1. 簡 介鋼結(jié)構(gòu)高級分析1-2（亦

2、稱為整體分析3）是指通過精確的非線性分析，完善的考慮結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)及其它非線性因素的影響，通過一次性分析，完成目前先進(jìn)行內(nèi)力分析再進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算的兩階段設(shè)計所做的工作。高級分析方法同時考慮影響鋼結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的極限狀態(tài)強(qiáng)度和穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。由于非線性效應(yīng)是在結(jié)構(gòu)分析中直接考慮的，所以用高級分析方法設(shè)計鋼框架時，通常不需要進(jìn)行當(dāng)前設(shè)計規(guī)范條文中強(qiáng)制性的單個構(gòu)件驗算。這種綜合性的設(shè)計和分析方法從本質(zhì)上保證了對設(shè)計過程的簡化，使工程設(shè)計人員能夠了解要設(shè)計的結(jié)構(gòu)在不同荷載水平下的行為和其破壞模式。澳大利亞首先在其1990年版本鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范AS4100中允許將高級分析方法作為一種可選方法，以簡化不發(fā)生局部屈曲

3、和側(cè)向屈曲的鋼框架的設(shè)計4。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EC31991也做了相應(yīng)的規(guī)定5?？臻g鋼框架的二階非線性分析有多種方法6,3,7-8，這些方法大致可以分為：（1）塑性區(qū)法(plastic zone method) 9,28-29,31。塑性區(qū)高級分析方法將構(gòu)件截面劃分成若干有限面積分區(qū)，截面的切線剛度就由這些面積分區(qū)的彈性特性形成，截面的抗力和彎矩也由分區(qū)面積的抗力效應(yīng)累加形成，利用牛頓拉普森系列迭代法使不平衡的內(nèi)力和外力重分配。文獻(xiàn)10介紹了塑性區(qū)法求解鋼框架極限荷載的過程。很多學(xué)者認(rèn)為塑性區(qū)法是精確的。但是由于劃分的單元數(shù)量特別多，造成結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣十分龐大，在計算機(jī)計算分析過程中會導(dǎo)致較大的截斷

4、誤差，迭代過程中更容易發(fā)散，耗時較長。目前許多大型非線性分析軟件采用了塑性區(qū)法，或者包括塑性區(qū)法的多種混合方法。這些軟件包括ABAQUS、ANSYS、MARC等通用的商業(yè)軟件。隨著個人計算機(jī)性能的快速提高，用這種方法進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)的分析和輔助設(shè)計是可能的。（2）準(zhǔn)塑性鉸法(quasi plastic hinge method)11。準(zhǔn)塑性鉸法是介于塑性區(qū)法和塑性鉸法之間的混合方法，該方法利用柔性系數(shù)考慮塑性的擴(kuò)展，使用簡化的殘余應(yīng)力模式，全截面塑性用塑性區(qū)法標(biāo)定。該方法很難進(jìn)一步發(fā)展用于空間結(jié)構(gòu)分析。（3）塑性鉸法(plastic hinge method，or concentrated pla

5、sticity method)及以塑性鉸概念為基礎(chǔ)的改進(jìn)方法。塑性鉸高級分析方法將構(gòu)件的屈服集中到幾個截面上，用彈簧模擬塑性鉸形成截面的切線剛度。這樣塑性鉸法避免了將一個截面劃分成多個小的面積分區(qū)，多數(shù)構(gòu)件只需劃分成一兩個單元，并且保持了較高的精度，這就大大減小了結(jié)構(gòu)剛度矩陣的大小，簡化了計算機(jī)分析過程，提高了效率。盡管實際上所有的框架都是三維的空間結(jié)構(gòu)，但是有些結(jié)構(gòu)可作為二維平面框架分析，比如不允許局部屈曲和側(cè)向屈曲的框架，在一階彎矩、軸向力和面內(nèi)失穩(wěn)造成的二階效應(yīng)綜合作用下，由于屈服過度而破壞。高級分析方法正是從受二維荷載的二維框架分析開始發(fā)展起來的，而后在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了局部屈曲和側(cè)

6、向屈曲不太重要的三維框架，比如管結(jié)構(gòu)。表1列出了高級分析針對不同類型的框架幾種分析方法的特點(diǎn)8：框架類型荷載類型失效形式失效原因特別情形平面框架面內(nèi)受力平面內(nèi)屈服平面內(nèi)屈曲平面框架面內(nèi)受力平面內(nèi)局部屈曲局部屈曲后平面框架面內(nèi)受力出平面?zhèn)认蚯奥N曲平面框架空間受力雙向彎曲和扭轉(zhuǎn)屈服扭轉(zhuǎn)平面框架空間受力雙向彎曲和扭轉(zhuǎn)局部屈曲局部屈曲后空間框架空間受力雙向彎曲和扭轉(zhuǎn)屈服扭轉(zhuǎn)空間框架空間受力雙向彎曲和扭轉(zhuǎn)局部屈曲局部屈曲后表1  高級分析中的幾種方法目前，二維框架的平面內(nèi)分析相對較多，考慮其側(cè)向屈曲的研究并不多。真正針對三維框架空間受力情形的嚴(yán)格分析非常少。2. 塑性鉸法及其

7、改進(jìn)塑性鉸法最初發(fā)展起來的是彈塑性鉸分析法12-13。該方法一般假定構(gòu)件不發(fā)生局部屈曲，即限定構(gòu)件采用緊湊型截面（compact section）。允許單元端部形成零長度的塑性鉸，單元的其他部分則保持完全彈性。這一方法從一定程度上考慮了非彈性，但不考慮屈服在塑性鉸形成截面上以及在兩鉸之間的擴(kuò)展，兩鉸之間殘余應(yīng)力的影響不能考慮。這種簡單的方法用穩(wěn)定函數(shù)模擬幾何非線性。對于主要發(fā)生彈性屈曲的細(xì)長構(gòu)件，彈塑性鉸法與塑性區(qū)法計算結(jié)果符合很好；然而對于發(fā)生較大屈服并伴隨塑性擴(kuò)展的粗短構(gòu)件，由于忽略了屈服沿構(gòu)件的擴(kuò)展，不能考慮構(gòu)件因漸進(jìn)屈服過程造成的剛度削弱，用該方法預(yù)測承載能力誤差較大。文獻(xiàn)3指出，彈塑

8、性鉸法得到的計算結(jié)果對于細(xì)長柱內(nèi)力較小的剛架與塑性區(qū)法較接近，但是一般多層多跨剛架的承載力均偏高，有的剛架偏高的幅度很大。一些學(xué)者致力于研究基于塑性鉸概念的改進(jìn)方法改進(jìn)塑性鉸法。Orbison、Prakash和Powell、Chen、Liew和Tang、Kim等、Wongkaew，以及其他研究者，利用塑性鉸法或者改進(jìn)塑性鉸法作了鋼框架二階非線性分析的研究。Orbison使用彈塑性鉸分析方法，材料非線性用切線模量考慮，幾何非線性用幾何剛度矩陣處理。該方法不考慮剪切變形，對僅承受軸向力的短構(gòu)件誤差較大。Prakash和Powell改進(jìn)了塑性鉸法并推出了DRAIN-3DX分析軟件，材料的非線性用截面

9、纖維的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系體現(xiàn)，由軸向力引起的幾何非線性用幾何剛度矩陣體現(xiàn)，但是由軸向力和彎曲相關(guān)作用引起的幾何非線性不予考慮。該方法高估承受大軸向力構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。Liew和Tang使用的是改進(jìn)塑性鉸法，殘余應(yīng)力用傳統(tǒng)的梁柱有限元模型考慮，材料非線性以計入描述材料屈服面邊界面（yield and bounding surfaces）的非彈性參數(shù)的方式考慮。該方法對僅承受軸向力的短構(gòu)件低估其屈服強(qiáng)度最大達(dá)7。Chen等所用的改進(jìn)塑性鉸法用穩(wěn)定函數(shù)考慮幾何二階效應(yīng)，CRC切線模量考慮殘余應(yīng)力，同時也提出了處理幾何缺陷的具體方法7。這種方法考慮的因素較為全面?？偟膩砜?， Chen 、Liew和Kim等發(fā)

10、展的改進(jìn)塑性鉸法可以考慮以下兩種剛度退化：1）塑性鉸形成截面的剛度退化。2）兩塑性鉸之間構(gòu)件的剛度退化。這種方法和彈塑性鉸法一樣簡單有效，同時保持了對結(jié)構(gòu)體系及其構(gòu)件承載能力和穩(wěn)定性計算的較高精度。經(jīng)過多年的研究，改進(jìn)塑性鉸法在分析二維框架的平面內(nèi)分析方面已比較成熟，開始向空間框架高級分析延伸。有研究者主張先利用現(xiàn)有塑性鉸法進(jìn)行平面內(nèi)分析，再進(jìn)行考慮殘余應(yīng)力和初始幾何缺陷的基于非線性側(cè)向屈曲分析的實用高級分析。這方面的例子見文獻(xiàn)14,15。文獻(xiàn)14用LRFD公式計算不同側(cè)向支撐長度下的側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲強(qiáng)度，如果無側(cè)向支承的長度超過發(fā)生全截面（面內(nèi)）屈服的極限長度，則用側(cè)向（彈性或非彈性）扭轉(zhuǎn)屈曲強(qiáng)

11、度代替全截面屈服強(qiáng)度，代入考慮軸向力與彎矩相關(guān)作用的截面塑性強(qiáng)度公式（AISCLRFD雙線性相關(guān)公式）。文獻(xiàn)15分別進(jìn)行平面內(nèi)分析和平面外屈曲分析，用“有效剛度法”綜合考慮所有材料非線性、殘余應(yīng)力和幾何缺陷對平面外屈曲的影響。對空間框架的分析見文獻(xiàn)7,16-17。其使用的分析單元共有12個自由度（每個端部6個），忽略了翹曲約束的影響。另外，對改進(jìn)塑性鉸法高級分析其他有關(guān)問題的研究也取得了進(jìn)展。Chen、Liew、Kim、Yoshiaki Goto、N. Kishi等研究了鋼框架的半剛性連接問題18-23，使得結(jié)構(gòu)整體分析中可以考慮連接的半剛性及其剪切變形影響。Kim等又進(jìn)一步研究了考慮局部屈曲

12、效應(yīng)、應(yīng)變反轉(zhuǎn)的方法以及有關(guān)弱軸彎曲的處理辦法24-26。關(guān)于改進(jìn)塑性鉸法在抗震設(shè)計中的應(yīng)用方法可參考文獻(xiàn)27。改進(jìn)塑性鉸法可以考慮二階效應(yīng)、材料非線性和幾何缺陷等多種非線性因素的影響，利用計算機(jī)程序?qū)︿摽蚣苓M(jìn)行整體分析，并且具有對計算機(jī)性能要求不高、計算省時同時又可以滿足工程設(shè)計精度要求等優(yōu)點(diǎn)，有可能取代當(dāng)前各國規(guī)范普遍采用的基于單構(gòu)件設(shè)計的方法，成為實用的二階非線性鋼框架設(shè)計方法。但是因為塑性鉸法沒有像塑性區(qū)法一樣將截面分成面積分區(qū)，所以很難精確考慮局部屈曲和平面外屈曲特別是翹曲效應(yīng)，對局部變形、翹曲與軸向力和彎矩間的相關(guān)作用、端部翹曲約束的模擬還比較困難。目前該方法一般不考慮屈曲前效應(yīng)和

13、屈曲后效應(yīng)。3.塑性區(qū)法高級分析以及其他有關(guān)結(jié)構(gòu)非線性研究的進(jìn)展塑性區(qū)法用于結(jié)構(gòu)分析較早，國內(nèi)外的研究成果相對多一些。Vogel用塑性區(qū)法（塑性分配法）分析了緊湊型截面二維框架28，其結(jié)果被廣泛用作檢驗框架分析精確程度的標(biāo)準(zhǔn)。Avery則分析了非緊湊型截面框架，給出了詳細(xì)的殼單元分析模型29，并且做了大型試驗檢驗其分析模型的精度30。Jiang等利用塑性區(qū)法進(jìn)行三維鋼框架非線性分析31，用塑性擴(kuò)展模型模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件，考慮了殘余應(yīng)力、初始缺陷以及壓力、彎曲和扭轉(zhuǎn)的耦合效應(yīng)，但限制局部屈曲，不能考慮側(cè)向扭轉(zhuǎn)屈曲。其所編制的計算機(jī)程序要達(dá)到塑性鉸法程序相同的精度，需要將構(gòu)件劃分為7個單元，這也證實了塑

14、性鉸法的效率。此外，Yeong-B. Y和Kuo-S. R對框架體系的幾何非線性分析進(jìn)行了深入的分析，并首次提出了利用“廣義位移法”求解非線性方程32。Buonopane等總結(jié)了高級分析設(shè)計的可靠度研究，考慮結(jié)構(gòu)特性和荷載的隨機(jī)性33。國內(nèi)的王孟鴻采用薄壁構(gòu)件理論考慮了構(gòu)件截面翹曲的影響，進(jìn)行了各向同性損傷理論塑性區(qū)分布模型的彈、塑性區(qū)雙重非線性分析，以及考慮局部屈曲、節(jié)點(diǎn)區(qū)變形和半剛性連接的三維空間鋼結(jié)構(gòu)非線性分析，并且在理論分析基礎(chǔ)上編制了實用的三維空間鋼結(jié)構(gòu)的彈、塑性分析軟件34，所做的工作目前是國內(nèi)較為全面的。舒興平等作了鋼框架結(jié)構(gòu)二階彈塑性穩(wěn)定極限承載力的試驗研究和分析35-36，郭

15、兵、顧正維、王新武等對剛框架的半剛性連接作了研究37-39。沈世釗教授、董石麟教授、張耀春教授、尹德鈺教授對空間單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的非線性行為進(jìn)行了深入研究，他們的研究內(nèi)容也是空間結(jié)構(gòu)高級分析的重要組成部分40-45。國內(nèi)其他研究者對剛框架及其構(gòu)件非線性分析等問題作了研究46-48。4.改進(jìn)塑性鉸法對各種非線性影響因素的簡化處理方法改進(jìn)塑性鉸法對各種非線性影響因素采用了簡單實用的近似處理方法。鑒于Chen、Liew、Kim、Wongkaew等發(fā)展的改進(jìn)塑性鉸法在目前基于塑性鉸概念的高級分析方法中考慮的問題較為全面，本文以這種方法為基礎(chǔ)詳細(xì)介紹改進(jìn)塑性鉸法的基本概念和技術(shù)。這里先介紹平面框架的平面內(nèi)分

16、析，再介紹平面外分析。4.1 改進(jìn)塑性鉸法二維框架平面內(nèi)分析對二維框架的平面內(nèi)分析，改進(jìn)塑性鉸法考慮二階幾何效應(yīng)、與殘余應(yīng)力和彎曲相關(guān)的漸進(jìn)屈服以及幾何缺陷等非線性因素。具體解決方法如下面各小節(jié)所述：4.1.1 穩(wěn)定函數(shù)考慮幾何二階效應(yīng)Chen和Lui提出了簡化的穩(wěn)定函數(shù)，用以體現(xiàn)大位移情況下二階幾何效應(yīng)。通常一個構(gòu)件只需分成一個或兩個單元。按照圖1所示梁柱單元，該單元增量形式的力位移關(guān)系可以用公式（1）表示為：  （1）這里，S1，S2穩(wěn)定函數(shù)；，增量形式端彎矩；增量形式軸向力；，增量形式連接轉(zhuǎn)角；增量形式軸向位移；A，I，L面積，初始慣性矩，梁柱單元長度；E彈性模量。穩(wěn)定函數(shù)由下

17、式定義：      （2）       （3）這里P(2EIL2)，P以受拉為正。當(dāng)軸向力為零時公式（2）、（3）無解。為解決這一問題并避免軸向力變號時公式（2）、（3）不一致，Lui和Chen建議用冪級數(shù)展開式近似穩(wěn)定函數(shù)。當(dāng)構(gòu)件中的軸向力在2.0<<2.0范圍內(nèi)時，可以用下面簡化的表達(dá)式近似穩(wěn)定函數(shù)：     （4）      （5）在絕大多數(shù)實際應(yīng)用中，公式（4）、（5）與精確表

18、達(dá)式（2）、（3）符合得非常好(對在2.0<<2.0范圍外的情況，應(yīng)當(dāng)用公式（2）、（3）)。穩(wěn)定函數(shù)法對每個構(gòu)件只用一個單元，即可保證任意軸向力大小作用下單元剛度各項和求解的軸向力的精度。該公式應(yīng)用的前提是所有構(gòu)件都有足夠的平面外支撐，以保證不發(fā)生平面外屈曲；構(gòu)件截面均為緊湊型截面。4.1.2 截面的塑性強(qiáng)度根據(jù)AISILRFD雙線性相關(guān)公式，截面的塑性強(qiáng)度可以用下式表達(dá)：         （6）         （7）這

19、里P,M二階軸向力和彎矩； Py壓屈強(qiáng)度； Mp全截面塑性彎矩。Orbison提出的截面塑性強(qiáng)度用下式表達(dá)：       （8）這里，pP/Py，mzMz/Mzp(強(qiáng)軸)，myMy/Myp(弱軸)，Py屈服荷載，Myp、Mzp分別是繞y軸和z軸的塑性彎矩。是力狀態(tài)參數(shù)，0.5時開始屈服，1.0達(dá)到全截面屈服。這兩種截面的塑性公式見圖2、圖3所示：這兩種塑性強(qiáng)度公式可以用于空間框架結(jié)構(gòu)。對于平面架，簡化為以下兩個公式：      （9）    （10）這里P

20、，M截面的二階軸向力和彎矩；Mp全截面塑性彎矩。 4.1.3 CRC切線模量考慮殘余應(yīng)力對塑性鉸間承受軸向力的構(gòu)件，用CRC（Column Research Council，美國柱研究局）切線模量考慮由于殘余應(yīng)力導(dǎo)致的沿構(gòu)件長度漸進(jìn)屈服。這里減小彈性模量的大小以代替減小初始慣性矩I的大小，以體現(xiàn)截面彈性核減小造成的剛度降低。剛度沿強(qiáng)軸和弱軸減小的速率是不同的，這里并未考慮，因為弱軸剛度的快速減退可以由富余的弱軸塑性強(qiáng)度補(bǔ)償。Chen和Lui建議的Et表達(dá)為：        （11）   

21、;      （12）4.1.4 拋物線函數(shù)考慮彎曲影響切線模量模型適于受軸向力的構(gòu)件，但對既承受軸向力又承受彎矩的情況，需要引入考慮彎曲塑性效應(yīng)的塑性鉸逐漸軟化模型，用以體現(xiàn)塑性鉸由彈性到剛度為零的過程。如果單元兩端都在發(fā)展塑性鉸，增量形式的力位移關(guān)系可以表達(dá)為： （13）A、B單元剛度參數(shù)，用以體現(xiàn)由彎曲引起的剛度的逐漸減小。單元端部的截面塑性狀態(tài)由在1和0之間變化來體現(xiàn)。假定按照拋物線表達(dá)式變化：           &

22、#160;   （14）               （15）這里是力狀態(tài)參數(shù)，由單元端部極限狀態(tài)面得出。此外，還可以進(jìn)一步修正單元剛度矩陣以便考慮剪切變形的影響7。4.1.5 幾何缺陷通常有三種處理方法考慮制造或安裝誤差：明確缺陷模型法、等效節(jié)點(diǎn)荷載法、進(jìn)一步減小切線模量法。1)明確切線模型法可以取規(guī)范規(guī)定的最大構(gòu)件誤差作為幾何缺陷。比如美國AISI規(guī)范允許每層的垂直誤差不超過Lc/500，可以采用Lc/500作為幾何缺陷限值。無支撐

23、框架可以考慮垂直誤差幾何缺陷，有支撐框架則不需考慮，因為垂直誤差引起的P-效應(yīng)可以由側(cè)向支撐抵消。對有支撐框架，應(yīng)當(dāng)用構(gòu)件的直線誤差代替垂直誤差作為幾何缺陷?？梢匀∫?guī)范規(guī)定的最大構(gòu)件誤差作為幾何缺陷，比如， AISI建議對構(gòu)件取其最大制造誤差為Lc/1000。直線誤差可以認(rèn)為沿構(gòu)件呈正弦波變化，在構(gòu)件中央達(dá)到最大值Lc/1000，然而研究發(fā)現(xiàn)每個構(gòu)件只用兩個單元而構(gòu)件中央有最大位移（缺陷）的模型已足以反映缺陷效應(yīng)。2)節(jié)點(diǎn)荷載法框架的幾何缺陷可以用等效的側(cè)向節(jié)點(diǎn)荷載代替，用作用在框架一層上的重力荷載表達(dá)。建議用0.002Pu作為等效節(jié)點(diǎn)荷載，Pu是一層上的全部重力荷載。等效的側(cè)向節(jié)點(diǎn)荷載作用在

24、每一層的頂部。對有支撐框架，等效節(jié)點(diǎn)荷載應(yīng)作用在柱的中間位置，大小取0.004Pu。這和幾何缺陷Lc/1000相當(dāng)。3)進(jìn)一步減小切線模量法為考慮幾何缺陷的影響，可以進(jìn)一步減小切線剛度Et，也就是用減小切線剛度Et的辦法體現(xiàn)由于幾何缺陷造成的構(gòu)件剛度逐漸退化?？梢赃M(jìn)一步減小CRC切線模量為：          （16）         （17）這里減小的Et；'幾何缺陷減小系數(shù)。經(jīng)大范圍框架和柱子計算驗證，減小系數(shù)取值

25、0.85。這種方法比另外兩種方法在設(shè)計中更為簡便，既不用在單元模型中加入明確的幾何缺陷，也不用另外施加等效節(jié)點(diǎn)荷載，并且不必考慮幾何缺陷的方向，而在分析大型的有側(cè)向支撐框架時確定最不利幾何缺陷方向往往很困難。根據(jù)文獻(xiàn)3的分析，等效節(jié)點(diǎn)荷載法和進(jìn)一步減小切線剛度法的精度是令人滿意的。4.2 考慮平面外屈曲的方法有關(guān)單個梁（受壓）和梁柱（壓彎）構(gòu)件的側(cè)向屈曲有很多研究成果，但對于框架結(jié)構(gòu)體系中的側(cè)向屈曲問題目前的研究還不多。在結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的翹曲往往與構(gòu)件間的相關(guān)作用有關(guān)。比如，對于相互垂直連接的工字形構(gòu)件，一個構(gòu)件的扭曲將導(dǎo)致另一構(gòu)件的翼緣翹曲，而翹曲構(gòu)件翼緣的雙彎矩會影響前一構(gòu)件的翼緣扭

26、曲。此外，各種形式的連接其傳遞扭曲或翹曲的能力也各不相同。因此，針對結(jié)構(gòu)體系考慮側(cè)向屈曲是一個非常復(fù)雜的問題。4.2.1 考慮平面外側(cè)向屈曲的條件鋼框架建筑中，梁構(gòu)件一般由樓板提供了足夠的面外約束，能充分發(fā)展面內(nèi)強(qiáng)度，而梁柱（壓彎）構(gòu)件只在其端部有面外方向的約束，可能發(fā)生平面外彎曲或扭曲。根據(jù)參考文獻(xiàn)15的研究，在面內(nèi)荷載的作用下，無側(cè)移（有側(cè)向支撐）平面鋼框架建筑中的柱構(gòu)件通常由綜合彎曲屈曲和扭轉(zhuǎn)屈曲的平面外失效模式控制，有側(cè)移（無側(cè)向支撐）平面鋼框架建筑中的柱構(gòu)件也可能由平面外失穩(wěn)控制。因此，對于鋼框架建筑中的梁構(gòu)件用平面內(nèi)高級分析方法就可以了，對其柱構(gòu)件則需進(jìn)行平面外高級分析。4.2.2

27、 考慮平面外側(cè)向屈曲的簡化方法嚴(yán)格來講，二維框架由于其兩個主平面的初始彎曲和初始扭轉(zhuǎn)，實際上受雙軸彎曲和扭轉(zhuǎn)作用。但目前研究實用的雙軸彎扭屈曲高級分析方法還很困難，充分考慮平面外彎扭屈曲失效模式的實用高級分析技術(shù)還不存在。于是，有研究者建議把分析簡化為平面內(nèi)和平面外兩個獨(dú)立的階段，首先進(jìn)行塑性鉸法平面內(nèi)高級分析，再進(jìn)行平面外高級分析。一些國家的規(guī)范也要求分別進(jìn)行平面內(nèi)和平面外承載力驗算。這種簡化的方法使得當(dāng)前可行的平面內(nèi)分析方法在第一階段可以保留使用，只需要研究平面外分析方法，而且平面內(nèi)分析使用的結(jié)構(gòu)形狀及得到的彎矩和軸向力分配可以直接作為輸入數(shù)據(jù)用于平面外分析。具體分析過程為：根據(jù)當(dāng)前的荷載

28、和幾何效應(yīng)，計算各分析單元的平面內(nèi)和平面外剛度矩陣，分別組成結(jié)構(gòu)的整體平面內(nèi)和平面外剛度矩陣，施加邊界條件，若平面內(nèi)剛度0，則改用較小的荷載增量重復(fù)該循環(huán)分析；否則檢查平面外剛度矩陣，若平面外剛度矩陣0，則改用較小的荷載增量重復(fù)該分析。若結(jié)構(gòu)平面內(nèi)平面外穩(wěn)定均滿足，應(yīng)用該增量荷載求解未知增量位移、增量荷載。最后更新單元的幾何和荷載效應(yīng)，施加下一步增量荷載重復(fù)分析直至結(jié)構(gòu)失效。前文所述平面內(nèi)分析實質(zhì)上是對結(jié)構(gòu)在面內(nèi)荷載作用下的彈性彎曲分析，做出了一些修正以允許軸向力和屈服造成的截面剛度削弱，以及因殘余應(yīng)力、屈服、初彎曲和平面內(nèi)效應(yīng)造成的彎曲剛度削弱。但是，對于面內(nèi)荷載作用下的框架結(jié)構(gòu)的出平面屈曲

29、分析來說，并沒有直接的平面外行為，最主要的平面外行為是構(gòu)件出框架平面外的側(cè)向屈曲。所以，相應(yīng)的出平面分析應(yīng)當(dāng)是一種屈曲分析而不是彎曲分析。如此，則所有的初彎曲和初扭轉(zhuǎn)缺陷應(yīng)被去除，但其影響可以某種形式考慮。文獻(xiàn)8給出了用有限元特征值問題處理平面外屈曲的公式：        （18）KL是平面外剛度矩陣，KG是平面外穩(wěn)定（幾何剛度）矩陣，平面外位移向量。剛度矩陣應(yīng)當(dāng)包括由屈服引起的任何削弱效應(yīng)，穩(wěn)定矩陣應(yīng)當(dāng)允許彎矩分配和荷載關(guān)于剪心高度的效應(yīng)，以及軸向力和彎矩的非彈性重分配。合適的處理節(jié)點(diǎn)平面外變形的連續(xù)性可以考慮端部約束的效

30、應(yīng)。4.2.3 實用的側(cè)向屈曲分析方法有效剛度法在目前考慮平面外屈曲的改進(jìn)塑性鉸法高級分析中，以K. Wongkaew和W.F. Chen15給出的分別進(jìn)行平面內(nèi)和平面外兩階段分析的平面鋼框架設(shè)計分析方法較為實用。該方法用彈性剛度的有效值代替其彈性值以考慮材料非線性和幾何非線性效應(yīng)對平面外屈曲強(qiáng)度的影響，采用線性穩(wěn)定函數(shù)理論，并用有限元分析方法導(dǎo)出二階剛度矩陣。設(shè)計平面鋼框架采用的與非線性相關(guān)的假定，在與設(shè)計規(guī)范構(gòu)件強(qiáng)度公式保持一致的基礎(chǔ)上稍作修正。假定位移和應(yīng)變足夠小，以便線性穩(wěn)定（二階）理論可以應(yīng)用，這是經(jīng)典穩(wěn)定理論的基礎(chǔ)。非彈性、殘余應(yīng)力和幾何缺陷的效應(yīng)在構(gòu)件的水平上得以考慮。其具體做法如下面的分節(jié)所示。4.2.3.1 對二階效應(yīng)的考慮要考慮鋼框架的平面外位移，一個分析單元需要14個整體自由度才能反映所有可能的位移，每個節(jié)點(diǎn)包括三個橫向自由度、三個扭轉(zhuǎn)自由度和一個翹曲自由度。圖4是荷載效應(yīng)和相應(yīng)位移的示意。圖4  整體荷載效應(yīng)及整體位移基于線性穩(wěn)定假定，Chen、Atsuta和Trahair49-50以及其他研究者證明，對于承受平面內(nèi)荷載的平面框架，在線性狀態(tài)下其平面內(nèi)的荷載位移關(guān)系與平面外的分叉屈曲是不耦合的。因此，分析單元的剛度矩陣可以用四個獨(dú)立的矩陣組成，一個與平面內(nèi)行為相關(guān)，一個與平面外行為相關(guān)，另外兩個是零矩陣。平衡方程可以用符號表示如下：&