[发明专利]一种大跨空间结构复杂边界条件杆件计算长度确定方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于结构工程领域，更具体的说是一种大跨空间结构复杂边界条件杆件计算长度确定方法及其应用。

背景技术

现有的许多建筑设计结构都应用到杆件桁架组成的桁架或网壳结构，而且越来越多的建筑结构整体都采用这种结构造型越来越复杂，因此对于构成桁架或网壳桁架的杆架杆件的分析越来越重要，杆架在不同结构中，如何确定杆件进行计算的等效长度是一这一个重要参数，是对杆件进行结构弹性分析的一个必要前提。而随之桁架整体结构的大型化，特别是复杂的大跨度空间结构，杆件的边界条件也越来越复杂，计算难度越来越高。

现有GB50017-2003《钢结构设计规范》(以下简称“《钢规》”)对结构体系的计算长度系数的规定，主要涉及以层变形为主的框架结构。计算方法主要有两种：一种方法是以多项假定为基础，分别对多层框架有侧移、无侧移情况等建立临界状态的平衡方程，求解框架柱的计算长度系数；另一种方法是对多层框架结构施加假想水平概念力的近似二阶分析方法。在楼层处施加该水平力，并参与荷载组合，假想水平概念力的大小，是以传统解析方法获得的框架柱稳定承载力为基础验算得到的，是解析解的另一种简化的方法。对于体型复杂的大跨空间结构，《钢规》提供的两种计算方法并不适用。

现有文献介绍：

[1]郭彦林，窦超.单层折面空间网格结构性能研究及设计[J].建筑结构学报，2010，31(4)：19-30。

[2]孟美丽，孙璨，吴兵，等.深圳大运会篮球馆屋盖结构稳定性分析[J].钢结构，2010，25(3)：：28-32。

对计算长度的求解，文献[1、2]依据整体屈曲分析方法进行求解具体过程为：

①对给定的荷载组合，采用线性分析方法对结构进行分析，得到所有杆件的轴力；

②以这一荷载工况的组合轴力pj做为标准，乘以荷载因子χ；

③形成有限元分析的刚度矩阵，进行特征值分析，得到临界荷载因子χ_cr；

④求得的临界荷载χc_rpj，反算计算长度。

[3]王海明，张耀春。斜腿钢架平面内整体稳定性能研究[J]。低温建筑技术，2005，108(6).：69-71。

[4]张久海，张文元。小高跨比单层单跨实腹门式刚架平面内弹性整体稳定分析[J].房材与应用，2005，33(4).：4-7。

文献[3、4]只是将文献[1、2]的第③步特征值分析改为考虑几何非线性的整体稳定分析，考虑了几何非线性的影响，其他步骤均相同。

现有技术的不足或缺点

1)规范的方法不适用体型复杂的大跨空间结构。

2)文献[1、2]，在某一工况下，根据线弹性整体屈曲结果，反算计算长度。没有考虑几何非线性的影响，凭借直觉判定杆件临界状态，存在错误判定临界状态的可能。

3)文献[3、4]考虑了几何非线性的影响，比文献[1、2]前进了一步，通过几何非线性整体稳定分析获得结构临界承载力，然后，间接的推算构件的临界承载力。这种方法属于比较笼统、间接方法。同样也存在凭借直觉判定杆件临界状态，存在错误判定的可能。

4)文献[1]为有次杆件的复杂边界条件，文献[2～4]为无次杆件的简单边界条件，但是均未考虑轴力变化对计算长度确定的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，为大跨度空间结构复杂边界条件主钢构件计算长度确定，提供一种相对精确方法。

本发明的进一步目的是避免在计算过程中凭借直觉判定杆件临界状态的失误。

本发明更进一步目的是解决了复杂边界条件引起杆件轴力变化，诱发对主杆件稳定承载力的影响的问题。

本发明通过以下技术方案实现上述目的。

首先本发明提供了一种大跨空间结构复杂边界条件杆件计算长度确定方法，其具体通过计算机按以下步骤计算：

S1.在控制荷载工况下，进行整体结构的特征值屈曲分析，得到各阶屈曲模态；

S2.以特征值屈曲分析得到的表现为该杆件失稳模态为初始形态，施加微小的几何缺陷，然后进行整体结构的几何非线性的弹性承载能力过程分析；

S3.在整体结构失去承载能力的过程当中，跟踪杆件的轴力-位移变化情况，根据轴力是否到达最大值及出现下降阶段，判定临界荷载的出现；

S4.按以下公式确定杆件的计算长度：