分析鋼結構設計方法的研究進展與展望

徐志強 劉 紅

（遼寧 沈陽 110000）

1 建筑鋼結構設計方法中的常見問題

鋼結構設計中經常會使用到極限狀態(tài)設計法，它的弊端在于設計過程中會經常利用到遺忘的設計經驗進行建筑結構的安全性設計。這一點在鋼結構設計中最需要改善的。另外在進行鋼結構安全設計中還會采用一階或二階彈性方法計算。并進行再各種結構荷載下的結構位移和整體內力彈性分析。這種設計方法是在實質上進行構建的承載力極限設計,這種設計方式存在如下的缺陷：

1.1 結構內力計算和構建承載力不一致

鋼結構整體設計過程中，通常會忽略幾何非線性和材料非線性的影響，在建構使用過程中，構件的極限承載力和非線性彈塑性狀態(tài)兩者不會同時到達極限，但是在設計中會出現(xiàn)按結構彈性狀態(tài)進行取值的情況。當按結構彈性狀態(tài)計算時，每個部件都不會達到極限承載力，這就造成了整體結構和單個結構非彈性設計部穩(wěn)合的現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 結構整體失穩(wěn)和實際失穩(wěn)不一致

現(xiàn)階段的設計規(guī)范中對結構失穩(wěn)的計算規(guī)定在同一層結構中出現(xiàn)對稱失穩(wěn)，在設計中會認定結構的穩(wěn)定性需要將構件設計的長度進行考慮，在這一計算過程中會出現(xiàn)計算結果和實際構件的彈性失穩(wěn)形式的誤差，也就是說，在計算結構長度時不能真實的反省出結構和構件之間的關系。

2 鋼結構建筑設計中的分析方法

鋼結構建筑在設計過程中圍繞著如下幾個問題進行設計分析。

2.1 改進現(xiàn)階段鋼結構設計

鋼結構建筑在施工中經常會發(fā)現(xiàn)很多設計缺陷，這些缺陷一直困擾著設計者，所以在設計允許的彈性范圍內進行設計改進是非常必要再，在設計改進中要充分考慮到建筑框架柱的長度問題，框架柱長度的大小是造成彈性失穩(wěn)和彈塑性失穩(wěn)的主要因素。同時還要針對梁柱的半剛性連接影響和構件的制造缺陷以及結構第二階段影響。并且要將在一定條件下結構實際長度和設計長度進行比較。

2.2 建立荷載模型

結構的彈性因素是鋼結構設計過程中需要考慮的又一因素，當結構收到豎向水平荷載力后，結構和材料的之間的彈性就會出現(xiàn)誤差（水平荷載在增加0.2%～0.5%），這時就要忽略結構缺陷和非彈性材料之間的誤差。

2.3 加入等效切線概念

鋼結構在設計過程中可以適當降低彈性分析，并且調整結構的非線性與缺陷影響。但是在調整的過程中是難以保證調整精度的。常用的調整方法是利用結構彈性分析代替非彈性分析。所以在設計中局限性很大，在設計中加強等效切線的應用是提高鋼結構設計質量的主要方法之一。

3 結構分析設計的發(fā)展

對新的結構分析設計方法的探討 要徹底克服前述現(xiàn)行建筑鋼結構設計方法中的前3種缺陷,必須建立以結構整體承載極限狀態(tài)和結構整體極限承載力為目標的結構分析設計方法。為此,近年來一些研究者已提出了所謂的集成非彈性設計 （IntegratedInelasticDesign）和高等分析設計（AdvancedAnalysisDesign）方法等。這些方法主張在結構分析中充分考慮影響結構性能的各種因素,特別是非線性因素,直接計算和驗算結構的整體極限承載力,以徹底免除構件計算長度和構件相關方程的概念,即免除構件驗算的步驟。歐洲規(guī)范和澳大利亞極限狀態(tài)標準[32]已包含了針對鋼框架結構的此類設計方法的試用性條文。精確的結構整體極限承載力分析實質上是結構的二階非彈性全過程分析。

4 鋼結構設計中常用的體系可靠度計算方法

常用的鋼結構體系可靠度計算有響應面法、失效模式法、隨機有限元法、MonteCarlo法，下面我針對這幾種常用方法進行說明：

1.響應面法；在設計中會利用一階和二階相似值代替結構極限狀態(tài)，并將曲率變化看作最大的極限狀態(tài)。這樣會導致極大誤差的產生，但是在正常使用極限狀態(tài)下的可靠程度計算還是依賴于響應面法。

2.失效模式法：失效模式法不能進行復雜結構體系的精確計算，因為它不能和結構非線性分析進行有效的結合，所以它的局限性較大。

3.隨機有限元法：它屬于一種新型的計算方法，一般在計算結構功能時可以利用相關的向量導數(shù)。其優(yōu)點在于計算速度快，步驟簡便。其缺點是在計算過程中需要要嚴密的理論推導性。

4.MonteCarl法：這種方法雖然計算簡便，但是需要大量的計算數(shù)據(jù)進行支持，常被用作可靠度計算方法的檢驗。現(xiàn)階段的設計中已經使用了降低抽樣方差技巧，所以MonteCarlo法在未來結構設計中會占據(jù)主導地位。

5 結束語

鋼結構在進行設計的過程中，計算機的應用已經占據(jù)了主導地位，鋼結構設計和分析的理論不斷深入為進行集穩(wěn)定理論、塑性理論和可靠性理論的鋼結構高等分析提供了理論基礎和研究條件。雖然我國的高等分析還處于初始階段，但是通過研究技術的不斷深入，鋼結構設計將會形成以整體結構極限和承載力極限設計相互集成的設計方法，并且逐漸取代以基礎構件承載力極限狀態(tài)的設計方法，使鋼結構設計方法趨于成熟。

[1]許建勛;鋼框架節(jié)點受力性能及其對框架受力性能影響研究[D];浙江工業(yè)大學;2002年

[2]李茂華;國內外鋼結構設計規(guī)范的比較研究[D];武漢大學;2004年