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刚架结构设计论文范文1
目前钢筋混凝土排架结构在设计分析方面仍面临很多挑战，为能解决这些可能遇到的问题，很多学者对钢筋混凝土排架结构设计上做了研究。在唐山大地震中，大多数以钢筋混凝土排架结构为主的工业厂房结构柱破坏，造成很大的损失和伤亡，此后，我国学者钢筋混凝土排架结构开始进行深入的分析与研究。研究的内容如下:地震局工程力学研究所对排架结构进行了有机玻璃模型的具体分析;李树祯等采用弹塑动力时程分析方法对横向单棍的排架结构进行分析，认为钢筋混凝土排架结构用普通的设计方法可满足抗震的基本要求，但从概率角度出发，其可靠度相对较低，地震作用下部分构件可能超过强度而严重破坏，“强柱弱梁”整体厂房还做不到;西安建筑科技大学共同对变柱变梁异型平面节点、钢筋混凝土框排架结构柱和带直交梁空间节点进行了大量的试验研究，研究结果表明:提出了长柱、短柱、普通混凝土柱以及异型节点承载力在高强混凝土上的计算公式，为改善节点区的配筋及高强混凝土在工程中应用提供了理论依据;目前弹性扭转效应的研究已趋于成熟，各国的规范对结构的弹性扭转效应都有各自的计算方法。对于结构进入塑性扭转，由于塑性扭转效应涉及到对整体结构的空间弹塑性分析的问题，其在这一领域问题较为明显，为钢筋混凝土排架等结构工程领域研究的热点问题。从总体上讲，在钢筋混凝土排架结构设计及理论方面，通过理论研究分析取得了许多有益的结论。但目前排架结构的研究重点仍处于对平面和弹性阶段的研究和分析，目的是能将空间计算问题尽量简化为平面的简单问题计算。由于钢筋混凝土排架结构的自身复杂性、专业性和特殊性，当前仍然有很多问题有待解决，如:塑性扭转效应和非线性分析问题;当前抗震性能的试验在钢筋混凝土排架整体结构领域进行较少，在排架结构的设计中，抗震设防的理论有待进一步完善;在排架结构处于塑性区后，其抗震能力发生变化，这一现象在结构扭转效应表现突出;此外，对排架与框架相互结合剪力墙结构的研究涉及较少，对框排架的工作性能及受力特点有待进一步的更多的研究和分析;钢筋混凝土框排架结构中框架与排架的协同工作受力情况较为模糊。
2我国目前规范对钢筋混凝土排架设计的不足
在钢筋混凝土排架结构的抗震设计方面，GB50191—2012构筑抗震设计规范和GB50011—2010建筑抗震设计规范指导规范不同地域、不同排架结构的抗震设计。本文结合《构筑抗震设计规范》的具体条文，阐述了目前规范中钢筋混凝土排架结构中设计的不足和缺陷。有关排架结构上部屋架结构计算的规定有:
1)《构筑抗震设计规范》6．2．19条规定，针对Ⅲ，Ⅳ类场地和8度、9度时，应该考虑屋架下弦的拉压效应对结构的影响并核算屋架承载力;
2)《构筑抗震设计规范》6．2．22条规定，针对Ⅲ，Ⅳ类场地和8度、9度时，应验算变形产生的附加内力。上述两点叙述，规范使用“应”字，因此应考虑建立合适的屋架和支撑的杆系模型，否则无法得出上述内力值。在钢结构排架设计方面，钢排架结构施工进度快，造价低，但以后要经常维护保养。框架结构施工复杂，造价高，后期维护工作量低。在工程建设中，钢架也就是在排架柱方向通过设置联系梁或桁架的方式使排架柱方向形成可以抵抗纵向力下变形的钢框架(局部开间或连续开间)，具体做法可采用实腹联系梁或格构桁架———根据可设置高度选用，采用门式柱间支撑，可以留出工艺空间，还能对柱平面外予以加强。但我国处于高度使用水泥的情况，环境污染日益严重，从节能减排方面讲，钢排架结构应作为首选，但规范未给具体说明。
3结语
刚架结构设计论文范文2
关键词：轻钢结构，安装，预防
轻钢结构即轻型钢结构建筑体系，是以热轧轻型H 钢、轻型焊接型钢、高频焊接型钢、冷弯薄壁型钢、薄钢板和薄壁钢管等高效能结构钢材和高效功能材料为主，以各类高效装饰连接材料为辅组装而成，能满足建筑特定使用功能和特定空间需求的轻型全装配钢结构建筑。轻钢结构是一种年轻而极具生命力的钢结构体系，已广泛应用于一般工农业、商业、服务性建筑，如办公楼、别墅、仓库、体育场馆、娱乐、旅游建筑和低、多层住宅建筑等领域，还可用于旧房增层、改造、加固和建材缺乏地区、运输不便地区、工期紧、活动式可拆迁建筑等，倍受业主青睐，主要有以下特点：①采用高效轻型薄壁型材，自重轻、强度高、占用面积小。②构配件均为自动化、连续化、高精度生产，产品规格系列化、定型化、配套化。各部分尺寸精确。③结构设计、详图设计、计算机模拟安装、工厂制造、工地安装等以较小时间差同步进行。④基础以上干式工法没有湿作业，内装饰等易于一次到位。型材经过镀锌、涂层后外观优美且防腐，有利于减少围护和装修费用。论文大全。⑤便于扩大柱距和提供更大分隔空间，可降低层高和增加建筑面积（住宅实用面积可达92%）。在增层、改造、加固方面优势明显。⑥新墙材应用范围广，大量使用采光带，通风条件好。⑦室内水暖电气管线全部隐蔽在墙体中和楼层间，布置灵活，修改方便。⑧房子可以搬迁、材料可全部回收利用，不会造成垃圾，符合可持续发展战略。由于钢结构本身具备自重轻、强度高、施工快等独特优点，因此对高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度，采用钢结构更是非常理想。轻型金属板材及其配套的门式刚架等系列轻型钢结构已得到了较为广泛的应用。下面简单谈一谈轻型钢结构工程中常见的一些质量问题及预防措施。
1.柱脚的制作安装
1.1预埋地脚螺栓与砼短柱边距离过近。在刚架吊装时，经常不可避免的会人为产生一些侧向外力，而将柱顶部砼拉碎或拉崩。在预埋螺栓时，钢柱侧边螺栓不能过于靠边，应与柱边留有足够的距离。同时，砼短柱要保证达到设计强度后，方可组织刚架的吊装工作。
1.2往往容易遗忘抗剪槽的留设和抗剪件的设置。柱脚锚栓按承受拉力设计，计算时不考虑锚栓承受水平力。若未设置抗剪件，所有由侧向风荷载、水平地震荷载、吊车水平荷载等产生的柱底剪力，几乎都有柱脚锚栓承担，从而破坏柱脚锚栓。
1.3柱脚底板与砼柱间空隙过小，使得灌浆料难以填入或填实。一般二次灌料空隙为50mm。
1.4有些工程地脚螺栓位置不准确，为了方便刚架吊装就位，在现场对底板进行二次打孔，任意切割，造成柱脚底板开孔过大，使得柱脚固定不牢，锚栓最小边（端）距亦不能满足规范要求。
2.梁、柱连接与安装
2.1多跨门式刚架中柱按摇摆柱设计，而实际工程却把中柱与斜梁焊死，致使实际构造与设计计算简图不符，造成工程事故。所以，安装要严格按照设计图纸施作。
2.2翼缘板与加厚或加宽连接板对接焊缝时，未按要求做成倾斜度的过渡。对接焊缝连接处，若焊件的宽度或厚度不同，且在同一侧相差4mm 以上者，应分别在宽度或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1：2.5（1：4）的斜角。
2.3端板连接面制作粗燥，切割不平整，或与梁柱翼缘板焊接时控制不当，使端板翘曲变形，造成端板间接触面不吻合，连接螺栓不得力，从而满足不了该节点抗弯受拉、抗剪等结构性能。
2.4刚架梁柱拼接时，把翼缘板和腹板的拼接接头放在同一截面上，造成工程隐患。拼接接头时，翼缘板和腹板的接头一定要按规定错开。
2.5刚架梁柱构件受集中荷载处未设置对应的加劲肋，容易造成结构构件局部受压失稳。
2.6连接高强螺栓不符合《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接的技术条件》或《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角头螺母、垫圈型式尺寸与技术条件》的相关规定。高强螺栓拧紧分初拧、终拧，对大型节点还应增加复拧。拧紧应在同一天完成，切勿遗忘终拧。一定要在结构安装完成后，对所有的连接螺栓应逐一检查，以防漏拧或松动。
2.7有些工程中高强螺栓连接面未按设计图纸要求进行处理，使得抗滑移系数不能满足该节点处抗剪要求。必须按照设计要求的连接面抗滑移系数去处理。
2.8有的工程缺乏有针对性的吊装方案，吊装刚架时，未采用临时措施保证刚架的侧向稳定，造成刚架安装倒塌事故。应先安装靠近山墙的有柱间支撑的两榀刚架，而后安装其他刚架。头两榀刚架安装完毕后，应在两榀刚架间将水平系杆，檩条及柱间支撑，屋面水平支撑，隅撑全部装好，安装完成后应利用柱间支撑及屋面水平支撑调整构件的垂直度及水平度，待调整正确后方可锁定支撑，而后安装其他刚架。
3.檩条、支撑等构件的制作安装
3.1为了安装方便，随意增大、加长檩条或檩托板的螺栓孔径。檩条不仅仅是支撑屋面板或悬挂墙面板的构件，而且也是刚架梁柱隅撑设置的支撑体，设置一定数量的隅撑可减少刚架平面外的计算长度，有效的保证了刚架的平面外整体稳定性。若檩条或檩托板孔径过大过长，隅撑就失去了应有的作用。
3.2隅撑角钢与钢梁的腹板直接连接，当刚架受侧向力时，使腹板在该处局部受到侧向水平力作用，容易导致钢梁局部侧向失稳。
3.3有的工程所用檩条仅用电镀，造成工程尚未完工，檩条早已生锈。论文大全。檩条宜采用热镀锌带钢压制而成的檩条，且保证一定的镀锌量。论文大全。
3.4因墙面开设门洞，擅自将柱间垂直支撑一端或两端移位。同一区隔的柱间支撑、屋面水平支撑与刚架形成纵向稳定体系，若随意移动其位置将会破坏其稳定体系。
3.5有些单位为了节省钢材和人工，将檩条和墙梁用钢板支托的侧向加劲肋取消，这将影响檩条的抗扭刚度和墙梁受力的可靠性。故施工单位不得任意取消设计图纸的一些做法。
3.6有的单位擅自增加屋面荷载，原设计未考虑吊顶或设备管道等悬挂荷载，而施工中却任意增加吊顶等悬挂荷载，从而导致钢梁挠度过大或坍塌。任何单位均不得擅自增加设计范围以外的荷载。
3.7屋面板未按要求设置，将固定式改为浮动式，使檩条侧向失稳。往往设计檩条时，会考虑屋面压型钢板与冷弯型钢檩条牢固连接，能可靠的阻止檩条侧向失稳并起到整体蒙皮作用。
3.8刚性系杆、风拉杆的连接板设置位置高低不一，使得水平支撑体系不在同一平面上，从而影响刚架的整体稳定性。刚性系杆与风拉杆构成水平支撑体系，其设置高度在同一坡度方向应保持一致。
4.结论
目前，我国钢结构住宅产业已进入一个新的发展阶段，有关规范和标准已经出台，国内钢材产量充足，有了一批钢结构住宅试点与示范的建设经验和科技成果，钢结构住宅的发展已具备了较好的物质和技术基础。当然，在钢结构住宅发展方面，还有一些技术问题有待解决。钢结构住宅的推广还需要做大量的工作，完善不同类型结构设计规范和施工技术标准，研制新型的轻质保温墙体材料以及与住宅部品的配套问题，同时还要广泛宣传开发轻钢住宅的益处，让更多的开发商、设计师和用户认识了解钢结构住宅的优点。
参考文献
[1]刘玉株.钢结构住宅技术问题讨论.建筑创作，2003，2.
[2]陈禄如等.攻克关键技术推动钢结构住宅发展.建设科技，2003,12.
刚架结构设计论文范文3
论文摘要：轻型金属板材及其配套的门式刚架等系列轻型钢结构已得到了较为广泛的应用，加强钢结构专业队伍素质的提高，已成为一项紧迫的任务。
由于钢结构本身具备自重轻、强度高、施工快等独特优点，因此对高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度，采用钢结构更是非常理想。轻型金属板材及其配套的门式刚架等系列轻型钢结构已得到了较为广泛的应用。下面简单谈一谈轻型钢结构工程中常见的一些质量问题及预防措施。
1 柱脚的制作安装
1.1 预埋地脚螺栓与砼短柱边距离过近。在刚架吊装时，经常不可避免的会人为产生一些侧向外力，而将柱顶部砼拉碎或拉崩。在预埋螺栓时，钢柱侧边螺栓不能过于靠边，应与柱边留有足够的距离。同时，砼短柱要保证达到设计强度后，方可组织刚架的吊装工作。
1.2 往往容易遗忘抗剪槽的留设和抗剪件的设置。柱脚锚栓按承受拉力设计，计算时不考虑锚栓承受水平力。若未设置抗剪件，所有由侧向风荷载、水平地震荷载、吊车水平荷载等产生的柱底剪力，几乎都有柱脚锚栓承担，从而破坏柱脚锚栓。
1.3 柱脚底板与砼柱间空隙过小，使得灌浆料难以填入或填实。一般二次灌料空隙为50mm。
1.4 有些工程地脚螺栓位置不准确，为了方便刚架吊装就位，在现场对底板进行二次打孔，任意切割，造成柱脚底板开孔过大，使得柱脚固定不牢，锚栓最小边（端）距亦不能满足规范要求。
2 梁、柱连接与安装
2.1 多跨门式刚架中柱按摇摆柱设计，而实际工程却把中柱与斜梁焊死，致使实际构造与设计计算简图不符，造成工程事故。所以，安装要严格按照设计图纸施作；
2.2 翼缘板与加厚或加宽连接板对接焊缝时，未按要求做成倾斜度的过渡。对接焊缝连接处，若焊件的宽度或厚度不同，且在同一侧相差4mm以上者，应分别在宽度或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1：2.5（1：4）的斜角。
2.3 端板连接面制作粗燥，切割不平整，或与梁柱翼缘板焊接时控制不当，使端板翘曲变形，造成端板间接触面不吻合，连接螺栓不得力，从而满足不了该节点抗弯受拉、抗剪等结构性能。
2.4 刚架梁柱拼接时，把翼缘板和腹板的拼接接头放在同一截面上，造成工程隐患。拼接接头时，翼缘板和腹板的接头一定要按规定错开。
2.5 刚架梁柱构件受集中荷载处未设置对应的加劲肋，容易造成结构构件局部受压失稳。
2.6 连接高强螺栓不符合《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接的技术条件》或《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角头螺母、垫圈型式尺寸与技术条件》的相关规定。高强螺栓拧紧分初拧、终拧，对大型节点还应增加复拧。拧紧应在同一天完成，切勿遗忘终拧。一定要在结构安装完成后，对所有的连接螺栓应逐一检查，以防漏拧或松动。
2.7 有些工程中高强螺栓连接面未按设计图纸要求进行处理，使得抗滑移系数不能满足该节点处抗剪要求。必须按照设计要求的连接面抗滑移系数去处理。
2.8 有的工程缺乏有针对性的吊装方案，吊装刚架时，未采用临时措施保证刚架的侧向稳定，造成刚架安装倒塌事故。应先安装靠近山墙的有柱间支撑的两榀刚架，而后安装其他刚架。头两榀刚架安装完毕后，应在两榀刚架间将水平系杆，檩条及柱间支撑，屋面水平支撑，隅撑全部装好，安装完成后应利用柱间支撑及屋面水平支撑调整构件的垂直度及水平度，待调整正确后方可锁定支撑，而后安装其他刚架。
3 檩条、支撑等构件的制作安装
3.1 为了安装方便，随意增大、加长檩条或檩托板的螺栓孔径。檩条不仅仅是支撑屋面板或悬挂墙面板的构件，而且也是刚架梁柱隅撑设置的支撑体，设置一定数量的隅撑可减少刚架平面外的计算长度，有效的保证了刚架的平面外整体稳定性。若檩条或檩托板孔径过大过长，隅撑就失去了应有的作用。
3.2 隅撑角钢与钢梁的腹板直接连接，当刚架受侧向力时，使腹板在该处局部受到侧向水平力作用，容易导致钢梁局部侧向失稳。
3.3 有的工程所用檩条仅用电镀，造成工程尚未完工，檩条早已生锈。檩条宜采用热镀锌带钢压制而成的檩条，且保证一定的镀锌量。
3.4 因墙面开设门洞，擅自将柱间垂直支撑一端或两端移位。同一区隔的柱间支撑、屋面水平支撑与刚架形成纵向稳定体系，若随意移动其位置将会破坏其稳定体系。
3.5 有些单位为了节省钢材和人工，将檩条和墙梁用钢板支托的侧向加劲肋取消，这将影响檩条的抗扭刚度和墙梁受力的可靠性。故施工单位不得任意取消设计图纸的一些做法。
3.6 有的单位擅自增加屋面荷载，原设计未考虑吊顶或设备管道等悬挂荷载，而施工中却任意增加吊顶等悬挂荷载，从而导致钢梁挠度过大或坍塌。任何单位均不得擅自增加设计范围以外的荷载。
3.7 屋面板未按要求设置，将固定式改为浮动式，使檩条侧向失稳。往往设计檩条时，会考虑屋面压型钢板与冷弯型钢檩条牢固连接，能可靠的阻止檩条侧向失稳并起到整体蒙皮作用。
3.8 刚性系杆、风拉杆的连接板设置位置高低不一，使得水平支撑体系不在同一平面上，从而影响刚架的整体稳定性。刚性系杆与风拉杆构成水平支撑体系，其设置高度在同一坡度方向应保持一致。
目前，我国钢结构住宅产业已进入一个新的发展阶段，有关规范和标准已经出台，国内钢材产量充足，有了一批钢结构住宅试点与示范的建设经验和科技成果，钢结构住宅的发展已具备了较好的物质和技术基础。当然，在钢结构住宅发展方面，还有一些技术问题有待解决。钢结构住宅的推广还需要做大量的工作，完善不同类型结构设计规范和施工技术标准，研制新型的轻质保温墙体材料以及与住宅部品的配套问题，同时还要广泛宣传开发轻钢住宅的益处，让更多的开发商、设计师和用户认识了解钢结构住宅的优点。
参考文献
刚架结构设计论文范文4
关键词：轻型门式刚架结构；设计；计算
中图分类号：S611文献标识码： A
0前言
单层轻型门式刚架结构是指以轻型焊接H形钢（等截面 或变截面）、热轧H形钢（等截面）或冷弯薄壁型钢等构成的 实腹式门式刚架或格构式门式刚架作为主要承重骨架,用冷弯 薄壁型钢（槽形、Z形等）做檩条、墙梁;以压型金属板（压型钢 板、压型铝板）做屋面、墙面；采用聚苯乙烯泡沫塑料、硬质聚氨 酯泡沫塑料以及岩棉、矿棉、玻璃棉等作为保温隔热材料,并适 当设置支撑的一种轻型房屋结构体系。
在目前的工程实践中，门式刚架的梁、柱多采用焊接H形 变截面构件,单跨刚架的梁柱节点采用刚接，多跨者大多采用 刚接和铰接并用；柱脚可与基础刚接或铰接；围护结构多采用 压型钢板；保温隔热材料多采用玻璃棉。
1单层轻型门式刚架结构的特点和设计中的注意事项
1.1单层轻型门式刚架结构的特点
1.1.1质量轻
围护结构采用压型金属板、玻璃棉及冷弯薄壁型钢等材料 组成,屋面、墙面的质量都很轻。根据国内工程实例统计,单层轻 型门式刚架房屋承重结构的用钢量一般为10kg/m2~30kg/m2,在 相同跨度和荷载情况下自重仅约为钢筋混凝土结构的 1/20-1/30。由于结构质量轻,相应地基础可以做得较小,地基处 理费用也较低。同时在相同地震烈度下结构的地震反应小,但 当风荷载较大或房屋较高时,风荷载可能成为单层轻型门式刚 架结构的控制荷载。
1.1.2工业化程度高,施工周期短
门式刚架结构的主要构件和配件多为工厂制作,质量易于 保证,工地安装方便；除基础施工外,基本没有湿作业；构件之 间的连接多采用高强度媒栓连接,安装迅速。
1.1.3综合经济效益高
门式刚架结构通常采用计箅机辅助设计，设计周期短；原 材料种类单一；构件采用先进自动化设备制造;运输方便等。所 以,门式刚架结构的工程周期短,资金回报快,投资效益相对较 高。
1.1.4柱网布置比较灵活
门式刚架结构的围护体系采用金属压型板,所以柱网布置 不受模数限制,柱距大小主要根据使用要求和用钢量最省的原
则来确定。
1.2设计中的注意事项
①由于门式刚架结构构件的抗弯刚度、抗扭刚度较小，结 构的整体刚度较弱,因此设计时应考虑运输和安装过程中要采 取的必要措施,以防止构件发生弯曲和扭转变形。
②要重视支撑体系和隅撑的布置,重视屋面板、墙面板与 构件的连接构造，使其能参与结构的整体工作。
③组成构件的杆件较薄,设计中应考虑对制作、安装、运输 的要求。
_计中应充分考虑锈蚀对结构构件截面削弱的影响。
⑤门式刚架的梁柱多采用变截面杆件,梁柱腹板在设计时 考虑利用屈曲后的强度,所以塑性设计不再适用。
⑥设计中对轻型化带来的后果必须注意和正确处理,例如 风力可使轻型屋面的荷载反向等。
2结构形式和结构布置
2.1结构形式
门式刚架的结构形式按跨度可分为单跨、双跨和多跨,按 屋面坡脊数可分为单脊单坡、单脊双坡、多脊多坡。屋面坡度宜 取1/20~1/8。单脊双坡多跨刚架，用于无桥式吊车的房屋时,当 刚架柱不是特别髙且风荷载也不是很大时,依据“材料集中使 用的原则”，中柱宜采用两端铰接的摇摆柱方案。门式刚架的柱 脚多按铰接设计,当用于工业厂房且有桥式吊车时,宜将柱脚 设计成刚接。门式刚架上可设置起重量不大于3t的悬挂吊车和 起重量不大于20t的轻、中级工作制的单梁或双梁桥式吊车。 2.2结构布置
2.2.1刚架的建筑尺寸和布置
门式刚架的跨度宜为9m~36m,髙度应根据使用要求的室 内净高确定,宜取4.5m~9m。门式刚架的合理间距应综合考虑 刚架跨度、荷载条件及使用要求等因素，一般宜取6m、7.5m、 9m。一般纵向温度区段小于300m,横向小于150m。 2.2.2檩条和墙梁的布置
檩条间距的确定应综合考虑天窗、通风屋脊、采光带、屋面 材料、檩条规格等因素按计算确定,一般应等间距布置,但在屋 脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。侧墙墙 梁的布置应考虑门窗、挑檐、雨蓬等构件的设置和围护材料的 要求确定。
2.2.3支撑和刚性系杆的布置
①在每个温度区段或分期建设的区段中，应分别设置能独 立构成空间稳定结构的支撑体系。在设置柱间支撑的开间，应 同时设置屋盖横向支撑，以构成几何不变体系。
②端部支撑宜设在温度区段端部的第一或第二个开间。柱 间支撑的间距应根据房屋纵向受力情况及安装条件确定,一般 取30m~45m。当房屋高度较大时,柱间支撑应分层设置;当房屋 宽度大于60m时,内柱列宜适当设置支撑。当端部支撑设在端 部第二个开间时,在第一个开间的相应位置应设置刚性系杆。
③在刚架的转折处（边柱柱顶、屋脊及多跨刚架的中柱柱. 顶）应沿房屋全长设置刚性系杆。
④由支撑斜杆等组成的水平桁架,其直腹杆宜按刚性系杆 考虑。刚性系杆可由檩条兼做,此时檩条应满足压弯构件的承 载力和刚度要求，当不满足时可在刚架斜梁间设置钢管、H型 钢或其他截面形式的杆件。
⑤当房屋内设有不小于5t的吊车时，柱间支撑宜用型钢； 当房屋中不允许设置柱间支撑时,应设置纵向刚架。
2007 No.5
3刚架设计
3.1荷载及荷载组合
3.1.1永久荷载
永久荷载包括结构构件的自重和悬挂在结构上的非结构 构件的重力荷载,如屋面、檩条、支撑、吊顶、墙面构件和刚架自
重寿。
3.1.2可变荷载
可变荷载包括屋面活荷载（设计屋面板和檩条时应考虑施 工和检修集中荷载，其标准值为lkN)、屋面雪荷载和积灰荷 载、吊车荷载、地震作用、风荷载等。 3.2.1内力计算
对于变截面门式刚架，应采用弹性分析方法确定各种内 力，只有当刚架的梁、柱全部为等截面时才允许采用塑性分析 方法。变截面门式刚架的内力通常采用杆系单元的有限元法 (直接刚度法）编制程序上机计算。地震作用的效应可采用底 部剪力法分析确定。
根据不同荷载组合下的内力分析结果，找出控制截面的内 力组合,控制截面的位置一般在柱底、柱顶、柱牛腿连接处及梁 端、梁跨中等截面处。 3.2.2侧移计算
变截面门式刚架的柱顶侧移应采用弹性分析方法确定,计 算时荷载取标准值,不考虑荷载分项系数。如果最后验算时刚 架的侧移刚度不满足要求，需采用下列措施之一进行调整•.放 大柱或（和）梁的截面尺寸,改铰接柱脚为刚接柱脚；把多跨框 架中的个别摇摆柱改为上端和梁刚接。 3.3刚架柱和梁的设计
①梁柱板件的宽厚比限值和腹板屈曲后的强度利用，主要 包括梁柱板件的宽厚比限值验算、腹板屈曲后强度利用验算、 腹板的有效宽度验算等内容。
②刚架梁柱构件的强度验算。
③梁腹板加劲肋的配置,梁腹板应在中柱连接处、较大固 定集中荷载作用处和翼缘转折处设置横向加劲肋。
④变截面柱在刚架平面内的计算长度确定,平面内的整体 稳定计算，平面外的整体稳定计算。
⑤斜梁和隅撑的强度和稳定性计算。
⑥节点设计,包括斜梁与柱的连接及斜梁拼接、柱脚设计、 牛腿设计、摇摆柱与斜梁的连接构造等内容。
4小结
综上所述,轻型门式刚架结构设计应遵守以下原则：
①保证结构的整体性，门式刚架属于平面结构,它们在纵 向构件、支撑和围护结构的联系下形成空间的稳定体系,结构 只有组成空间稳定整体，才能承担各种荷载和其他外在效应；
②明确各类外力从作用点到基础的传递路径和传递全过 程中产生的效应；
③设计必须体现计算和构造的一致性。
参考文献
史三元,李进军.轻型钢结构厂房的结构体系设计[C].第十届全 国结构工程学术会议论文集第III卷,2001 (10) :31-33.
钱永旺.浅谈轻型钢结构厂房设计的几个问题[J].山西建筑,2008, 26 (12) :101-103.
刚架结构设计论文范文5
关键词：既有建筑 加层改造抗震性能 计算模型
Existing buildings with light steel structure design and application
Abstract: layer for steel structure is now gradually spread of form of houses with layer and transformation, in such aspects as technology, economy and security than concrete structure has more obvious advantages.This paper introduces the research status and development of layer for steel structure,for the design and application of existing buildings with light steel structure puts forward my own view.
Key words:existing buildings Add layer building
seismic performancecalculation model
中图分类号：TU352 文献标识码： A
既有建筑加层改造在我国的发展及应用
上世纪70年代我国的房屋加层改造技术迅速发展起来，全国各地都纷纷展开加层改造的实践。既有建筑增层改造后既美观大方、装修考究，又风格新颖、立面错落有致，具有时代感。在全国各地开展的房屋增层工程实践中，出现了一批杰出的、有代表性的、建筑设计和结构设计独具匠心的工程，其中部分加层工程统计见表 1.1，
表1.1部分加层工程实例
序号 工程名称 原建筑 加层建筑
1 保定市电力学校综合楼 4 层砖混 1层门式刚架结构
2 北京京西宾馆 2 层框架 1层钢框架
3 新乡百货大厦 4层 4层组合网架架
5 郑州某大学食堂 2层框架 1层刚框架
6 保定电力学校学生宿舍楼 4 层砖混 1层门式刚架结构
7 华北电力学院教学楼 4 层砖混 1层门式刚架结构
8 北京城建集团总公司办公楼 6层框架 增至12层
既有建筑轻钢整层结构的优越性
钢结构加层是目前逐步被推广的一种房屋加固与改造形式，在技术、经济以及安全性等方面较混凝土结构具有明显的优点：
(1)钢结构建筑采用先进的设计和加工工艺以及大规模的生产方式，所以可大大地降低造价。同时由于安装简单迅速而节省大量的施工费用，有效地缩短了工期。并使企业或开发商得以更快投产见效，有效地缩短了工期，
(2)钢结构加层形式多样，建筑内部空间宽敞，可以更好地满足建筑上大开间、灵活分隔的要求，又可灵活布设各种工业管线，且可以保持原结构的布置不变，很好的与周围环境相协调。
(3)采用钢结构加层在施工期间不影响旧房屋的正常使用，避免了由于施工带来的旧房屋的停止使用，造成的经济损失。
(4)采用钢结构加层不需要购置新地，很好地节约了土地面积，大量节省了征地费、拆迁费、减少住户搬迁的安置费。
(5)抗震性能好相对于混凝土结构，钢结构重量轻，且具有很好的延性，能够很好地吸收地震能量，有效地减小了地震力，从而保证了房屋结构的安全。
(6)相对于混凝土结构施工而言，在施工过程中钢结构建筑基本上没有建筑垃圾产生，施工过程中噪音污染微小，对周边居民的生活和工作基本上不产生影响。同时钢结构建筑便于拆卸、回收，可实现重复利用等优点，这些都完全符合国家对建筑环保节能的要求及理念。
既有建筑轻钢整层结构在我国的研究概况
随着增层技术在我国房屋增层与改造中的应用，与之相关的技术问题的研究越来越受到工程界的普遍重视。先后成立了“中国老教授协会全国房屋加层改造技术研究委员会”和“中国工程建设标准化协会建筑物鉴定与加固技术标准委员会”等学术团体[1]，使加展改造工程的经验交流、学术研究日益活跃。
目前我国针对混凝土结构上部加钢结构的代表性研究成果有:
(1)袁文章,何小燕[2，3]以北京某医院的住院楼加层为背景,对钢筋混凝土结构上进行钢结构加层的整体结构的计算方法进行了分析,推导出了整体结构等效阻尼比的公式,并在下部为14层的钢筋混凝土结构,上部为一层钢结构的实际工程中得到了很好的运用。
(2)吕凤伟[4]分析了钢筋混凝土框架结构和钢结构连接节点。对比三类加层连接节点:锚栓生根加层节点,焊接生根加层节点,增大截面生根加层节点。通过拟静力试验和低周反复试验，,提出了适用于混凝土框架结构体系的钢框架加层的加层节点、抗震评估和设计方法。
(3)张 涛,王元清,石永久,麻建锁[5]采用有限元软件ANSYS,对某四层钢筋混凝土框架结构办公楼顶部加两层纯钢框架的抗震性能进行反应谱分析。计算表明,由于加层后结构周期加长,整体框架的底层层剪力变化较小。而且加层设计的同时应进行抗震加固验算,并结合实际工程的需要进行整体结构的耗能减震设计。
(4)王元清,宋 锋,石永久,钱晓键[6]通过建立空间三维有限元模型分析了采用隔震技术的跃层加层框架的动力特性,并用时程分析法对隔震结构及其相应的非隔震结构进行了地震反应分析,得出：铅芯橡胶隔震支座能够明显地减小结构的地震反应。橡胶隔震垫的水平刚度和阻尼对结构地震响应的影响较大。
我国轻钢增层结构进一步研究的问题
建筑轻钢结构增层在国内逐渐获得广泛的应用，显示出很好的技术经济效益和社会效益。但目前设计方法也不够完善，对其进一步发展还存在一些问题，在房屋钢结构加层技术的研究中主要表现在着如下关键问题：
国内外对钢结构加层结5构的破坏机理、抗震性能、抗震薄弱环节等还缺乏深入的研究。对这种由混凝土结构和钢结构所组成的混合结构的破坏机理、抗震性等都还缺乏深入的理论研究，仅靠一些相关行业标准，没有一套统一的标准。
(2)由于钢结构和混凝土结构两种结构的阻尼比不同，在实际工程设计中阻尼比如何取，还缺乏一定的研究。不同的设计人员取值不同，取值比较混乱，没有一个统一的规定。因此就这种混合结构的阻尼比如何取值还有待于深入研究。
(3)钢结构加层后如何能保证混凝土结构和钢结构协同工作也有待于更进一步研究。
为促进轻钢增层结构进一步的发展，还需要加大对其研究的投入，采用钢结构加层后整个混合结构的整体质量、刚度、周期、阻尼比等都发生较大的变化，应该对整个混合结构的整体抗震性能进行分析，最后总结出规律。
结论
在加层中要尽量减少对下部建筑物和地基的影响,钢结构加层作为一项新型的加层技术越来越受到工程界的青睐。但目前我国对这种新型结构的工作性质、破坏机理等关键技术问题研究还不透彻，理论研究远远落后于工程应用，因此必须大力加大对其研究的投入。
参考文献
[1] 骆甜.轻钢加层结构的地震分析与研究[D].[硕士学位论文].合肥:合肥工业大学,2007
[2] 袁文章,何小燕.北京某医院住院楼钢结构增层设计[J].山西建筑,2008,34 ( 8):103～104
[3] 程河山.既有钢筋混凝土框架顶部钢结构加层体系受力分析[D].[硕士学位论文].郑州:郑 州大学,2009
[4] 吕凤伟.混凝土框架顶部钢结构加层连接节点抗震性能试验研究[D].[博士学位论文].南京: 东南大学,2009
[5] 张 涛,王元清,石永久,麻建锁.钢筋混凝土框架顶部钢结构加层的抗震性能反应谱分析[J].工程抗震与加固，2006,28(3)
刚架结构设计论文范文6
关键词：塑性铰非线性分析高级分析钢框架设计方法
1.简介
钢结构高级分析[1-2]（亦称为整体分析[3]）是指通过精确的非线性分析，完善的考虑结构的二阶效应及其它非线性因素的影响，通过一次性分析，完成目前先进行内力分析再进行结构验算的两阶段设计所做的工作。高级分析方法同时考虑影响钢结构及其构件的极限状态强度和稳定的关键因素。由于非线性效应是在结构分析中直接考虑的，所以用高级分析方法设计钢框架时，通常不需要进行当前设计规范条文中强制性的单个构件验算。这种综合性的设计和分析方法从本质上保证了对设计过程的简化，使工程设计人员能够了解要设计的结构在不同荷载水平下的行为和其破坏模式。澳大利亚首先在其1990年版本钢结构规范AS4100中允许将高级分析方法作为一种可选方法，以简化不发生局部屈曲和侧向屈曲的钢框架的设计[4]。欧洲标准EC3－1991也做了相应的规定[5]。
空间钢框架的二阶非线性分析有多种方法[6,3,7-8]，这些方法大致可以分为：（1）塑性区法(plasticzonemethod)[9,28-29,31]。塑性区高级分析方法将构件截面划分成若干有限面积分区，截面的切线刚度就由这些面积分区的弹性特性形成，截面的抗力和弯矩也由分区面积的抗力效应累加形成，利用牛顿－拉普森系列迭代法使不平衡的内力和外力重分配。文献[10]介绍了塑性区法求解钢框架极限荷载的过程。很多学者认为塑性区法是精确的。但是由于划分的单元数量特别多，造成结构的整体刚度矩阵十分庞大，在计算机计算分析过程中会导致较大的截断误差，迭代过程中更容易发散，耗时较长。目前许多大型非线性分析软件采用了塑性区法，或者包括塑性区法的多种混合方法。这些软件包括ABAQUS、ANSYS、MARC等通用的商业软件。随着个人计算机性能的快速提高，用这种方法进行大型结构的分析和辅助设计是可能的。（2）准塑性铰法(quasiplastichingemethod)[11]。准塑性铰法是介于塑性区法和塑性铰法之间的混合方法，该方法利用柔性系数考虑塑性的扩展，使用简化的残余应力模式，全截面塑性用塑性区法标定。该方法很难进一步发展用于空间结构分析。（3）塑性铰法(plastichingemethod，orconcentratedplasticitymethod)及以塑性铰概念为基础的改进方法。塑性铰高级分析方法将构件的屈服集中到几个截面上，用弹簧模拟塑性铰形成截面的切线刚度。这样塑性铰法避免了将一个截面划分成多个小的面积分区，多数构件只需划分成一两个单元，并且保持了较高的精度，这就大大减小了结构刚度矩阵的大小，简化了计算机分析过程，提高了效率。
尽管实际上所有的框架都是三维的空间结构，但是有些结构可作为二维平面框架分析，比如不允许局部屈曲和侧向屈曲的框架，在一阶弯矩、轴向力和面内失稳造成的二阶效应综合作用下，由于屈服过度而破坏。高级分析方法正是从受二维荷载的二维框架分析开始发展起来的，而后在此基础上进一步研究了局部屈曲和侧向屈曲不太重要的三维框架，比如管结构。表1列出了高级分析针对不同类型的框架几种分析方法的特点[8]：
框架类型
荷载类型
失效形式
失效原因
特别情形
平面框架
面内受力
平面内
屈服
平面内屈曲
平面框架
面内受力
平面内
局部屈曲
局部屈曲后
平面框架
面内受力
出平面
侧向屈曲
屈服及翘曲
平面框架
空间受力
双向弯曲和扭转
屈服
扭转
平面框架
空间受力
双向弯曲和扭转
局部屈曲
局部屈曲后
空间框架
空间受力
双向弯曲和扭转
屈服
扭转
空间框架
空间受力
双向弯曲和扭转
局部屈曲
局部屈曲后
表1高级分析中的几种方法
目前，二维框架的平面内分析相对较多，考虑其侧向屈曲的研究并不多。真正针对三维框架空间受力情形的严格分析非常少。
2.塑性铰法及其改进
塑性铰法最初发展起来的是弹塑性铰分析法[12-13]。该方法一般假定构件不发生局部屈曲，即限定构件采用紧凑型截面（compactsection）。允许单元端部形成零长度的塑性铰，单元的其他部分则保持完全弹性。这一方法从一定程度上考虑了非弹性，但不考虑屈服在塑性铰形成截面上以及在两铰之间的扩展，两铰之间残余应力的影响不能考虑。这种简单的方法用稳定函数模拟几何非线性。对于主要发生弹性屈曲的细长构件，弹塑性铰法与塑性区法计算结果符合很好；然而对于发生较大屈服并伴随塑性扩展的粗短构件，由于忽略了屈服沿构件的扩展，不能考虑构件因渐进屈服过程造成的刚度削弱，用该方法预测承载能力误差较大。文献[3]指出，弹塑性铰法得到的计算结果对于细长柱内力较小的刚架与塑性区法较接近，但是一般多层多跨刚架的承载力均偏高，有的刚架偏高的幅度很大。
一些学者致力于研究基于塑性铰概念的改进方法—改进塑性铰法。Orbison、Prakash和Powell、Chen、Liew和Tang、Kim等、Wongkaew，以及其他研究者，利用塑性铰法或者改进塑性铰法作了钢框架二阶非线性分析的研究。Orbison使用弹塑性铰分析方法，材料非线性用切线模量考虑，几何非线性用几何刚度矩阵处理。该方法不考虑剪切变形，对仅承受轴向力的短构件误差较大。Prakash和Powell改进了塑性铰法并推出了DRAIN-3DX分析软件，材料的非线性用截面纤维的应力－应变关系体现，由轴向力引起的几何非线性用几何刚度矩阵体现，但是由轴向力和弯曲相关作用引起的几何非线性不予考虑。该方法高估承受大轴向力构件的强度和刚度。Liew和Tang使用的是改进塑性铰法，残余应力用传统的梁－柱有限元模型考虑，材料非线性以计入描述材料屈服面－边界面（yieldandboundingsurfaces）的非弹性参数的方式考虑。该方法对仅承受轴向力的短构件低估其屈服强度最大达7％。Chen等所用的改进塑性铰法用稳定函数考虑几何二阶效应，CRC切线模量考虑残余应力，同时也提出了处理几何缺陷的具体方法[7]。这种方法考虑的因素较为全面。总的来看，Chen、Liew和Kim等发展的改进塑性铰法可以考虑以下两种刚度退化：1）塑性铰形成截面的刚度退化。2）两塑性铰之间构件的刚度退化。这种方法和弹塑性铰法一样简单有效，同时保持了对结构体系及其构件承载能力和稳定性计算的较高精度。
经过多年的研究，改进塑性铰法在分析二维框架的平面内分析方面已比较成熟，开始向空间框架高级分析延伸。有研究者主张先利用现有塑性铰法进行平面内分析，再进行考虑残余应力和初始几何缺陷的基于非线性侧向屈曲分析的实用高级分析。这方面的例子见文献[14,15]。文献[14]用LRFD公式计算不同侧向支撑长度下的侧向扭转屈曲强度，如果无侧向支承的长度超过发生全截面（面内）屈服的极限长度，则用侧向（弹性或非弹性）扭转屈曲强度代替全截面屈服强度，代入考虑轴向力与弯矩相关作用的截面塑性强度公式（AISC－LRFD双线性相关公式）。文献[15]分别进行平面内分析和平面外屈曲分析，用“有效刚度法”综合考虑所有材料非线性、残余应力和几何缺陷对平面外屈曲的影响。对空间框架的分析见文献[7,16-17]。其使用的分析单元共有12个自由度（每个端部6个），忽略了翘曲约束的影响。
另外，对改进塑性铰法高级分析其他有关问题的研究也取得了进展。Chen、Liew、Kim、YoshiakiGoto、N.Kishi等研究了钢框架的半刚性连接问题[18-23]，使得结构整体分析中可以考虑连接的半刚性及其剪切变形影响。Kim等又进一步研究了考虑局部屈曲效应、应变反转的方法以及有关弱轴弯曲的处理办法[24-26]。关于改进塑性铰法在抗震设计中的应用方法可参考文献[27]。
改进塑性铰法可以考虑二阶效应、材料非线性和几何缺陷等多种非线性因素的影响，利用计算机程序对钢框架进行整体分析，并且具有对计算机性能要求不高、计算省时同时又可以满足工程设计精度要求等优点，有可能取代当前各国规范普遍采用的基于单构件设计的方法，成为实用的二阶非线性钢框架设计方法。但是因为塑性铰法没有像塑性区法一样将截面分成面积分区，所以很难精确考虑局部屈曲和平面外屈曲特别是翘曲效应，对局部变形、翘曲与轴向力和弯矩间的相关作用、端部翘曲约束的模拟还比较困难。目前该方法一般不考虑屈曲前效应和屈曲后效应。
3.塑性区法高级分析以及其他有关结构非线性研究的进展
塑性区法用于结构分析较早，国内外的研究成果相对多一些。Vogel用塑性区法（塑性分配法）分析了紧凑型截面二维框架[28]，其结果被广泛用作检验框架分析精确程度的标准。Avery则分析了非紧凑型截面框架，给出了详细的壳单元分析模型[29]，并且做了大型试验检验其分析模型的精度[30]。Jiang等利用塑性区法进行三维钢框架非线性分析[31]，用塑性扩展模型模拟结构构件，考虑了残余应力、初始缺陷以及压力、弯曲和扭转的耦合效应，但限制局部屈曲，不能考虑侧向扭转屈曲。其所编制的计算机程序要达到塑性铰法程序相同的精度，需要将构件划分为7个单元，这也证实了塑性铰法的效率。此外，Yeong-B.Y和Kuo-S.R对框架体系的几何非线性分析进行了深入的分析，并首次提出了利用“广义位移法”求解非线性方程[32]。Buonopane等总结了高级分析设计的可靠度研究，考虑结构特性和荷载的随机性[33]。
国内的王孟鸿采用薄壁构件理论考虑了构件截面翘曲的影响，进行了各向同性损伤理论塑性区分布模型的弹、塑性区双重非线性分析，以及考虑局部屈曲、节点区变形和半刚性连接的三维空间钢结构非线性分析，并且在理论分析基础上编制了实用的三维空间钢结构的弹、塑性分析软件[34]，所做的工作目前是国内较为全面的。舒兴平等作了钢框架结构二阶弹塑性稳定极限承载力的试验研究和分析[35-36]，郭兵、顾正维、王新武等对刚框架的半刚性连接作了研究[37-39]。沈世钊教授、董石麟教授、张耀春教授、尹德钰教授对空间单层网壳结构的非线进行了深入研究，他们的研究内容也是空间结构高级分析的重要组成部分[40-45]。国内其他研究者对刚框架及其构件非线性分析等问题作了研究[46-48]。
4.改进塑性铰法对各种非线性影响因素的简化处理方法
改进塑性铰法对各种非线性影响因素采用了简单实用的近似处理方法。鉴于Chen、Liew、Kim、Wongkaew等发展的改进塑性铰法在目前基于塑性铰概念的高级分析方法中考虑的问题较为全面，本文以这种方法为基础详细介绍改进塑性铰法的基本概念和技术。这里先介绍平面框架的平面内分析，再介绍平面外分析。
4.1改进塑性铰法二维框架平面内分析
对二维框架的平面内分析，改进塑性铰法考虑二阶几何效应、与残余应力和弯曲相关的渐进屈服以及几何缺陷等非线性因素。具体解决方法如下面各小节所述：
4.1.1稳定函数考虑几何二阶效应
Chen和Lui提出了简化的稳定函数，用以体现大位移情况下二阶几何效应。通常一个构件只需分成一个或两个单元。按照图1所示梁柱单元，该单元增量形式的力－位移关系可以用公式（1）表示为：
（1）
这里，S1，S2＝稳定函数；，＝增量形式端弯矩；＝增量形式轴向力；，＝增量形式连接转角；增量形式轴向位移；A，I，L＝面积，初始惯性矩，梁柱单元长度；E＝弹性模量。稳定函数由下式定义：
（2）
（3）
这里ρ＝P／(π2EI／L2)，P以受拉为正。
当轴向力为零时公式（2）、（3）无解。为解决这一问题并避免轴向力变号时公式（2）、（3）不一致，Lui和Chen建议用幂级数展开式近似稳定函数。当构件中的轴向力在－2.0<ρ<2.0范围内时，可以用下面简化的表达式近似稳定函数：
（4）
（5）
在绝大多数实际应用中，公式（4）、（5）与精确表达式（2）、（3）符合得非常好(对ρ在－2.0<ρ<2.0范围外的情况，应当用公式（2）、（3）)。稳定函数法对每个构件只用一个单元，即可保证任意轴向力大小作用下单元刚度各项和求解的轴向力的精度。该公式应用的前提是所有构件都有足够的平面外支撑，以保证不发生平面外屈曲；构件截面均为紧凑型截面。
4.1.2截面的塑性强度
根据AISI－LRFD双线性相关公式，截面的塑性强度可以用下式表达：
（6）
（7）
这里P,M＝二阶轴向力和弯矩；Py＝压屈强度；Mp＝全截面塑性弯矩。
Orbison提出的截面塑性强度用下式表达：
（8）
这里，p＝P/Py，mz＝Mz/Mzp(强轴)，my＝My/Myp(弱轴)，Py＝屈服荷载，Myp、Mzp分别是绕y轴和z轴的塑性弯矩。α是力状态参数，α＝0.5时开始屈服，α＝1.0达到全截面屈服。这两种截面的塑性公式见图2、图3所示：
这两种塑性强度公式可以用于空间框架结构。对于平面架，简化为以下两个公式：
（9）
（10）
这里P，M＝截面的二阶轴向力和弯矩；Mp＝全截面塑性弯矩。
4.1.3CRC切线模量考虑残余应力
对塑性铰间承受轴向力的构件，用CRC（ColumnResearchCouncil，美国柱研究局）切线模量考虑由于残余应力导致的沿构件长度渐进屈服。这里减小弹性模量的大小以代替减小初始惯性矩I的大小，以体现截面弹性核减小造成的刚度降低。刚度沿强轴和弱轴减小的速率是不同的，这里并未考虑，因为弱轴刚度的快速减退可以由富余的弱轴塑性强度补偿。Chen和Lui建议的Et表达为：
（11）
（12）
4.1.4抛物线函数考虑弯曲影响
切线模量模型适于受轴向力的构件，但对既承受轴向力又承受弯矩的情况，需要引入考虑弯曲塑性效应的塑性铰逐渐软化模型，用以体现塑性铰由弹性到刚度为零的过程。如果单元两端都在发展塑性铰，增量形式的力—位移关系可以表达为：
（13）
ηA、ηB＝单元刚度参数，用以体现由弯曲引起的刚度的逐渐减小。单元端部的截面塑性状态由η在1和0之间变化来体现。η假定按照抛物线表达式变化：
（14）
（15）
这里α是力状态参数，由单元端部极限状态面得出。此外，还可以进一步修正单元刚度矩阵以便考虑剪切变形的影响[7]。
4.1.5几何缺陷
通常有三种处理方法考虑制造或安装误差：明确缺陷模型法、等效节点荷载法、进一步减小切线模量法。
1)明确切线模型法
可以取规范规定的最大构件误差作为几何缺陷。比如美国AISI规范允许每层的垂直误差不超过Lc/500，可以采用Lc/500作为几何缺陷限值。无支撑框架可以考虑垂直误差几何缺陷，有支撑框架则不需考虑，因为垂直误差引起的P-∆效应可以由侧向支撑抵消。对有支撑框架，应当用构件的直线误差代替垂直误差作为几何缺陷。可以取规范规定的最大构件误差作为几何缺陷，比如，AISI建议对构件取其最大制造误差为Lc/1000。直线误差可以认为沿构件呈正弦波变化，在构件中央达到最大值Lc/1000，然而研究发现每个构件只用两个单元而构件中央有最大位移（缺陷）的模型已足以反映缺陷效应。
2)节点荷载法
框架的几何缺陷可以用等效的侧向节点荷载代替，用作用在框架一层上的重力荷载表达。建议用0.002∑Pu作为等效节点荷载，Pu是一层上的全部重力荷载。等效的侧向节点荷载作用在每一层的顶部。对有支撑框架，等效节点荷载应作用在柱的中间位置，大小取0.004∑Pu。这和几何缺陷Lc/1000相当。
3)进一步减小切线模量法
为考虑几何缺陷的影响，可以进一步减小切线刚度Et，也就是用减小切线刚度Et的办法体现由于几何缺陷造成的构件刚度逐渐退化。可以进一步减小CRC切线模量为：
（16）
（17）
这里＝减小的Et；ξ''''＝几何缺陷减小系数。
经大范围框架和柱子计算验证，减小系数取值0.85。这种方法比另外两种方法在设计中更为简便，既不用在单元模型中加入明确的几何缺陷，也不用另外施加等效节点荷载，并且不必考虑几何缺陷的方向，而在分析大型的有侧向支撑框架时确定最不利几何缺陷方向往往很困难。根据文献[3]的分析，等效节点荷载法和进一步减小切线刚度法的精度是令人满意的。
4.2考虑平面外屈曲的方法
有关单个梁（受压）和梁柱（压弯）构件的侧向屈曲有很多研究成果，但对于框架结构体系中的侧向屈曲问题目前的研究还不多。在结构中构件的翘曲往往与构件间的相关作用有关。比如，对于相互垂直连接的工字形构件，一个构件的扭曲将导致另一构件的翼缘翘曲，而翘曲构件翼缘的双弯矩会影响前一构件的翼缘扭曲。此外，各种形式的连接其传递扭曲或翘曲的能力也各不相同。因此，针对结构体系考虑侧向屈曲是一个非常复杂的问题。
4.2.1考虑平面外侧向屈曲的条件
钢框架建筑中，梁构件一般由楼板提供了足够的面外约束，能充分发展面内强度，而梁－柱（压弯）构件只在其端部有面外方向的约束，可能发生平面外弯曲或扭曲。根据参考文献[15]的研究，在面内荷载的作用下，无侧移（有侧向支撑）平面钢框架建筑中的柱构件通常由综合弯曲屈曲和扭转屈曲的平面外失效模式控制，有侧移（无侧向支撑）平面钢框架建筑中的柱构件也可能由平面外失稳控制。因此，对于钢框架建筑中的梁构件用平面内高级分析方法就可以了，对其柱构件则需进行平面外高级分析。
4.2.2考虑平面外侧向屈曲的简化方法
严格来讲，二维框架由于其两个主平面的初始弯曲和初始扭转，实际上受双轴弯曲和扭转作用。但目前研究实用的双轴弯扭屈曲高级分析方法还很困难，充分考虑平面外弯扭屈曲失效模式的实用高级分析技术还不存在。于是，有研究者建议把分析简化为平面内和平面外两个独立的阶段，首先进行塑性铰法平面内高级分析，再进行平面外高级分析。一些国家的规范也要求分别进行平面内和平面外承载力验算。这种简化的方法使得当前可行的平面内分析方法在第一阶段可以保留使用，只需要研究平面外分析方法，而且平面内分析使用的结构形状及得到的弯矩和轴向力分配可以直接作为输入数据用于平面外分析。具体分析过程为：根据当前的荷载和几何效应，计算各分析单元的平面内和平面外刚度矩阵，分别组成结构的整体平面内和平面外刚度矩阵，施加边界条件，若平面内刚度≤0，则改用较小的荷载增量重复该循环分析；否则检查平面外刚度矩阵，若平面外刚度矩阵≤0，则改用较小的荷载增量重复该分析。若结构平面内平面外稳定均满足，应用该增量荷载求解未知增量位移、增量荷载。最后更新单元的几何和荷载效应，施加下一步增量荷载重复分析直至结构失效。
前文所述平面内分析实质上是对结构在面内荷载作用下的弹性弯曲分析，做出了一些修正以允许轴向力和屈服造成的截面刚度削弱，以及因残余应力、屈服、初弯曲和平面内效应造成的弯曲刚度削弱。但是，对于面内荷载作用下的框架结构的出平面屈曲分析来说，并没有直接的平面外行为，最主要的平面外行为是构件出框架平面外的侧向屈曲。所以，相应的出平面分析应当是一种屈曲分析而不是弯曲分析。如此，则所有的初弯曲和初扭转缺陷应被去除，但其影响可以某种形式考虑。
文献[8]给出了用有限元特征值问题处理平面外屈曲的公式：
（18）
[KL]是平面外刚度矩阵，[KG]是平面外稳定（几何刚度）矩阵，{∆}平面外位移向量。刚度矩阵应当包括由屈服引起的任何削弱效应，稳定矩阵应当允许弯矩分配和荷载关于剪心高度的效应，以及轴向力和弯矩的非弹性重分配。合适的处理节点平面外变形的连续性可以考虑端部约束的效应。
4.2.3实用的侧向屈曲分析方法—有效刚度法
在目前考虑平面外屈曲的改进塑性铰法高级分析中，以K.Wongkaew和W.F.Chen[15]给出的分别进行平面内和平面外两阶段分析的平面钢框架设计分析方法较为实用。该方法用弹性刚度的有效值代替其弹性值以考虑材料非线性和几何非线性效应对平面外屈曲强度的影响，采用线性稳定函数理论，并用有限元分析方法导出二阶刚度矩阵。设计平面钢框架采用的与非线性相关的假定，在与设计规范构件强度公式保持一致的基础上稍作修正。假定位移和应变足够小，以便线性稳定（二阶）理论可以应用，这是经典稳定理论的基础。非弹性、残余应力和几何缺陷的效应在构件的水平上得以考虑。其具体做法如下面的分节所示。
4.2.3.1对二阶效应的考虑
要考虑钢框架的平面外位移，一个分析单元需要14个整体自由度才能反映所有可能的位移，每个节点包括三个横向自由度、三个扭转自由度和一个翘曲自由度。图4是荷载效应和相应位移的示意。
图4整体荷载效应及整移
基于线性稳定假定，Chen、Atsuta和Trahair[49-50]以及其他研究者证明，对于承受平面内荷载的平面框架，在线性状态下其平面内的荷载－位移关系与平面外的分叉屈曲是不耦合的。因此，分析单元的刚度矩阵可以用四个独立的矩阵组成，一个与平面内行为相关，一个与平面外行为相关，另外两个是零矩阵。平衡方程可以用符号表示如下：
（19）
这里的平面内项为：
（20）
（21）
是平面内刚度矩阵。平面外项为：
（22）
（23）
是平面外刚度矩阵。平面内刚度矩阵ki的推导主要有两种方法，包括有限元分析法和稳定函数法。但目前正确的平面外刚度矩阵还没有被推导出来，这里用到的平面外二阶刚度矩阵ko是Barsoum和Gallagher[51]用有限元分析方程得出的，推导中用到的假定与经典稳定分析所采用的假定一致。计入平面外荷载效应，用0值替代相应项，平面外二阶刚度矩阵可以表示为：
（24）
4.2.3.2对材料非线性和几何缺陷的考虑
用“有效刚度法”考虑所有材料非线性、残余应力和几何缺陷对平面外屈曲的影响，具体做法是将平面外弹性刚度EIy、EIw和GJ用体现剩余弹性核特性的值(EIy)t、(EIw)t、(GJ)t代替。对于几何缺陷造成的额外荷载效应对截面能力的削弱，用进一步减小刚度的方法近似。为了与规范中设计公式一致，用规范中的构件强度公式标定有效刚度的大小，并使有效刚度同时包括几何缺陷和材料非线性两种影响因素的效应。文献[15]给出了具体的梁、柱及压弯构件的等效刚度。
4.2.3.3对翘曲自由度的处理
由于仅在构件的水平上考虑了翘曲，所以假定单元端部连接处翘曲自由度间要么完全相互制约：在同一连接上的所有单元端部共用一个整体翘曲自由度；要么没有相关作用：每个单元有自己的翘曲自由度，这使每个翘曲自由度产生了一个附加的独立自由度，并允许各单元在连接处有不同的瞧去约束。对于前者可以把每个连接单元与翘曲相关的项直接加入框架刚度矩阵，对后者翘曲约束可以作为边界条件处理。
需要指出的是，严格处理单元端部在连接处的相关作用需要能考虑截面畸变的更先进的分析，需要详细考虑各种连接方式的细节。这种分析的例子见文献[52-53]。
4.3关于半刚性连接
除了几个特例外，钢框架的连接通常是半刚性的。文献[18,54]讨论了常用连接的特性，文献[18]还总结了几种模拟半刚性连接的弯矩—转角特性的计算公式，详细讨论了半刚性框架的分析。这里仅简单介绍Liew、Kim等在塑性铰高级分析中对半刚性连接的模拟方法。他们把梁柱半刚性连接模拟为零长度转动弹簧，所用的方程允许构件与连接之间产生相对扭转和弯扭。单元端部的连接单元直接作为整体未知量，无需修改单元刚度矩阵，因此便于应用。
Liew[55]对薄壁管构件钢框架采用了Heish推荐的四参数幂函数模型体现典型连接的弯矩转角关系。其表达式为：
（25）
图6三参数模型
Ke是连接的初始刚度矩阵，Kp是应变强化刚度矩阵，M0是参考弯矩，n是形状参数。如果有试验数据，公式中的四个参数可以通过曲线拟合得到；如果直到连接的细部情况，也可用分析方程得出。但是一般设计时并不确定连接的具体方式，需要一个基于一般连接试验数据库的标准曲线作为参照，或者使用根据数据库得到的有关参数。Heish的研究报告给出了九种常用连接方式在面内弯曲荷载作用下的四个参数的平均值。
Kim[56]等采用了用三个参数的Kishi－Chen幂函数模型：
（26）
这里的m＝M/Mu，θr＝θ/θ0，θ0＝Mu/Rki，Mu是连接的最大弯矩承载力，Rki是初始连接刚度，n是形状参数。对于公式中的参数，文献给出了四种常见连接的解决方法。
以上两种方法都可以考虑卸载导致的应力重分配对连接的影响。
5改进塑性铰法的验证
对改进塑性铰法精度的验证，一般推荐两种方法，一种是与塑性铰法的分析结果对比，一种是与设计规范的计算结果对比。文献[3,7,14-17,20,22,24]等的对比结果显示改进塑性铰法分析具有较高的精度，能够满足工程设计的要求，可以用于实际设计。
6结论和建议
塑性区法高级分析尚有待简化，比如使用包括梁柱单元的混合单元，才能普遍用于实际工程设计。改进塑性铰法作为一种可行的整体分析方法，已能够考虑二阶非线性、几何非线性、材料非线性、连接非线性等影响钢框架的强度和稳定的关键因素，有望成为钢框架工程设计的实用方法。
本文首先介绍了有关高级分析的一些基本情况，然后分别针对平面框架的平面内分析和平面外分析，详细介绍了改进塑性铰法对各种非线性问题的处理方法。文中还介绍了对梁、柱、压弯构件和二维钢框架结构非线性分析的现状。对构件的非弹性平面外屈曲，尤其是双向压弯构件的屈曲，研究并不充分，针对二维框架的非弹性研究也不多。此外，很少有人在高级分析中研究弱轴弯曲的问题。
改进塑性铰法用稳定函数法或有限元分析方程推导出单元刚度矩阵，考虑二阶效应的影响。对残余应力、几何缺陷和弯矩的影响等因素也采用近似的方法解决，并保持了较高的精度。用减小切线模量代替减小截面惯性矩近似残余应力造成的截面平面内承载能力削弱，用体现剩余弹性核特性的值(EIy)t、(EIw)t、(GJ)t代替平面外弹性刚度EIy、EIw和GJ，以有效刚度法体现所有材料非线性、残余应力和几何缺陷造成的平面外能力的削弱等等，这种近似解决的方法证明是可行的。
改进塑性铰法为了简化计算和分析，将一个构件用一个或者二三个单元分析。由于没有在截面上划分分区单元，很难考虑局部屈曲和截面翘曲这种需要详细分析截面各纤维受力状态的问题。对于影响结构强度的关键构件或连接，应当用塑性分配法。而要考虑非弹性侧向屈曲，包括局部屈曲和翘曲的塑性效应，必须改变现在使用的三参数塑性强度公式。一个可能的解决方法是在塑性分配法中使用壳单元，这种单元不但便于解决翼缘或腹板的局部屈曲，还能够很好的考虑构件的侧向扭转和翘曲效应。
严格意义上的空间钢框框架二阶弹塑性分析似乎还未出现。要真正在结构水平上分析钢框架在不同荷载水平下的行为和失效模式，需计及弯扭屈曲，解决具有双向弯曲和扭转并相互耦联的更为复杂的三维空间刚架的弹塑性稳定问题，还需要考虑结构的整体扭转、最不利的荷载组合、荷载相对剪心的距离以及各个构件最不利的几何缺陷形式等复杂问题。
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