专利名称：一种多层悬挑钢结构中优化静力延性性能的方法
技术领域：
本发明涉及一种建筑结构设计方法，更详细的说是一种适用于多层悬挑钢结构(多层悬挑钢结构指具备二层及以上悬挑结构层，并且悬挑结构层具有承载功能的钢结构体系)的延性性能化设计方法。
背景技术：
随着人类物质文明和精神文明的发展，土木工程领域中的大跨度空间杰作不断涌现，层出不穷，一次又一次的展现着人类创新之美。大悬挑结构体系，像一座被抬升“漂浮”在基座上的“云朵”，以简洁、安静、沉稳的形态回应周边的城市环境。众所周知，对于大悬挑结构，最难克服的两个主要结构问题是结构重力和体系的稳定性。由于结构竖向刚度不规贝U，下部支撑柱楼层抗侧刚度小，自然形成下柔上刚的不规则体系；为实现大跨度空间、大·悬挑结构，工程师们主要从以下几个方面进行考虑，比如，如何减轻结构重量(尤其是屋顶重量)，如何防止其发生大变形失稳。结构的延性是指在外力作用下，结构超过弹性阶段后，其承载能力无显著下降的情况下，结构的后期非弹性变形能力。延性是控制结构稳定性的一个重要方面，同时静力荷载对结构受力及变形的影响不可忽视。现实工程中存在很多由于延性差造成工程垮塌的案例，仅近年，美国某体育馆顶棚在大雪中垮塌，我国某体育场悬挑结构在自重下垮塌等，因此，有必要对多层悬挑结构提出一种新的静力延性性能的设计方法。与以往发明不同的是，本发明提出通过调整多层悬挑钢结构的外围结构形式来优化其静力延性性能，提出利用体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数双控指标的控制结构体系静力延性性能的方法。
发明内容
本发明的目的，就是提供一种多层悬挑钢结构中优化静力延性性能的方法，使多层悬挑钢结构满足建筑使用要求及安全性的前提下，同时具有良好的稳定性和经济性。为解决上述问题，一种多层悬挑钢结构中优化静力延性性能的方法，其特征在于所述的方法是依次按以下步骤实现的
步骤①，建立多层悬挑钢结构的楼层结构模型，进行静力作用下楼层钢结构杆件布置与截面初步设计。步骤②，在悬挑楼层端部的周边，设置竖向布置或斜向布置的外围结构，将所有悬挑楼层相连；优选的，悬挑楼层端部的周边各面的外围结构能够构成一个封闭结构，更为优选的，悬挑结构为双轴或中心对称的平面内刚度更大的结构；
进行静力作用下楼层钢结构、竖向连接结构的布置与截面设计。步骤③，进行多层悬挑钢结构静力承载全过程计算。计算分析时，结构材料模型设定为非线性属性，并在计算过程考虑结构体系几何非线性。计算得出体系的稳定承载力和大变形能力。步骤④，多层悬挑钢结构静力延性性能判定根据步骤③的计算结果，判定体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数(简称双控指标系数)是否同时不小于对应的限值
i[PA}, [a ]，如不满足，若不满足，重复步骤②和步骤③，通过调整连接各悬挑楼层的竖向布 置或斜向布置的外围结构截面及布置形式，改变体系稳定承载力系数和体系大变形能力系
数，直至二者同时不小于对应的限值l[g ], [A ]。若双控指标系数满足要求，多层悬挑钢结构静力延性性能设计完成。
本发明具有如下有益效果
(1)提出了一种便于工程实施的静力延性性能双控指标系数方法，对多层悬挑钢结构的静力延性性能分析有了科学量化的定义方法；
(2)建议了多层悬挑钢结构静力延性性能双控指标的合理取值范围；
(3)显著提高了多层悬挑钢结构抗倒塌能力，使结构在破坏前有良好的征兆；
(4)提出了通过改变外网格形式能够有效提高多层悬挑结构的静力延性性能和整体稳定性的方法，同时降低结构整体用钢量，提升经济性。
图I为本发明方法的流程图。图2为本发明所涉及的二层悬挑钢结构平面示意图。图3为本发明所涉及的二层悬挑钢结构A-A剖面示意图。图4为图2中外围结构3的一种实现形式直杆方式。图5为图2中外围结构3的一种实现形式交叉杆方式。图6为图2中外围结构3的一种实现形式四边形网格方式。图7为图2中外围结构3的一种实现形式三角形网格方式。图8为体系稳定承载力系数/^与体系大变形能力系数D的关系曲线。图9为本发明实施例多层悬挑钢结构构成示意。图10为本发明实施例三种多层悬挑钢结构模型结构荷载-位移全过程曲线。
下面参照附图对本发明进一步说明。附图标记说明
I——下部楼层结构；2——上部楼层结构；3——外围结构。分别表示体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数；Psp 分别表示P-D曲线的体系破坏荷载系数和体系极限大变形系数；当曲线存在明显屈服点且屈服点辨别无争议时，P;、Df分别表示/曲线明显屈服拐点处的屈服荷载系数和体系屈服变形系数。图10中，纵坐标轴Z7表示荷载标准值加载倍数,横坐标轴V表示位移，曲线a表示模型I最大位移点荷载倍数位移曲线，曲线b表示模型2最大位移点荷载倍数位移曲线，曲线c表示模型3最大位移点荷载倍数位移曲线。
具体实施例方式结合附图，以二层悬挑钢结构为实施例对该方法作详细说明。该多层悬挑钢结构中优化静力延性性能的方法，按如下步骤依次实现
步骤①
如图I及图2、图3所示，在计算机中建立楼层结构I和楼层结构2模型，并对其杆件布置和截面进行初步设计；下部楼层结构I和上部楼层结构2可以为钢桁架或钢网架或其它结构形式。此过程可借助结构设计软件辅助进行，如MIDAS、SAP2000。步骤②
如图I及图2 图7所示，在悬挑楼层端部布置外围结构3，外围结构3在图3剖面图中的布置方式为竖向布置或斜向布置；外围结构3在立面的布置方式可为直杆方式连接各悬挑楼层端部(图4)、交叉杆方式连接各悬挑楼层端部(图5)、四边形网格方式连接各悬挑楼层端部(图6)、三角形网格方式连接各悬挑楼层端部(图7)。优选的，外围结构3在平面布置图中(图2)的布置方式为封闭、对称结构，且形成整体刚度良好的外围结构，可以是网格结构。优化过程中，首先调整外围结构3的平面布局，使外围结构3趋于封闭、单轴对称或双轴对称或中心对称；其次，改变各悬挑楼层端部间的连接方式(如图4所示直杆方式、图5所示交叉杆方式、图6所示四边形网格方式、图7三角形网格方式，但不限于此);第三，调整外围结构3的竖向倾角。通过以上方面，实现对多层悬挑钢结构静力延性性能的优化。步骤③
进行同时考虑材料非线性和几何非线性的多层悬挑钢结构静力承载全过程分析(简称“双非线性屈曲分析”)。双非线性屈曲分析一般在ANSYS等通用有限元软件中进行分析模拟，将钢材材料本构关系定义为双线性应力-应变曲线，计算过程中考虑结构几何大变形效应。计算分析结束后，绘制如图8所示体系稳定承载力系数P与体系大变形能力系数D的关系曲线。步骤④
进行多层悬挑钢结构静力延性性能判定。根据图8中曲线及如下公式确定体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数
权利要求
1.一种多层悬挑钢结构中优化静力延性性能的方法，其特征在于所述的方法包括以下步骤 步骤①建立多层悬挑钢结构的楼层结构模型，进行静力作用下楼层钢结构杆件布置与截面初步设计； 步骤②在悬挑楼层端部的周边，设置竖向布置或斜向布置的外围结构，将所有悬挑楼层相连；进行静力作用下楼层钢结构、竖向连接结构的布置与截面设计； 步骤③进行多层悬挑钢结构静力承载全过程计算，计算分析时，结构材料模型设定为非线性属性，并在计算过程考虑结构体系几何非线性；计算得出体系的稳定承载力和大变形能力； 步骤④多层悬挑钢结构静力延性性能判定根据步骤③的计算结果，判定体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数是否同时不小于对应的限值； 若不满足，重复步骤②和步骤③，通过调整连接各悬挑楼层的竖向布置或斜向布置的外围结构截面及布置形式，改变体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数，直至二者同时不小于对应的限值； 若二者满足上述条件时，多层悬挑钢结构静力延性性能设计完成。
2.根据权利要求I所述的优化静力延性性能的方法，其特征在于所述的悬挑楼层端部的周边各面的外围结构能够构成一个封闭结构。
3.根据权利要求I或权利要求2所述的优化静力延性性能的方法，其特征在于所述悬挑结构为双轴或中心对称的平面内刚度更大的结构。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的优化静力延性性能的方法，其特征在于所述外围结构为直杆式、交叉杆式、或网格结构。
5.根据权利要求1-4所述的优化静力延性性能的方法，其特征在于所述外围结构为四边形网格或三角形网格。
全文摘要
本发明涉及一种多层悬挑钢结构中优化静力延性性能的方法，所述的方法是依次按以下步骤实现的首先，建立多层悬挑钢结构的楼层结构模型，进行静力作用下楼层钢结构杆件布置与截面初步设计；其次，在悬挑楼层端部的周边，设置竖向布置或斜向布置的外围结构，将所有悬挑楼层相连；进行静力作用下楼层钢结构、竖向连接结构的布置与截面设计；再次，进行多层悬挑钢结构静力承载全过程计算；然后根据计算结果，判定体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数是否同时不小于限值，如不满足，返回前面步骤，调整连接各悬挑楼层的竖向布置或斜向布置的外围结构截面及布置形式，直至满足上述条件，完成多层悬挑钢结构静力延性性能设计。该设计方法可显著提高多层悬挑钢结构抗倒塌能力，同时降低结构整体用钢量，提升经济性。
文档编号E04B5/43GK102704605SQ20121009573
公开日2012年10月3日 申请日期2012年4月4日 优先权日2012年4月4日
发明者刘鑫刚, 张国军, 王树, 葛家琪, 马伯涛 申请人:中国航空规划建设发展有限公司