高层建筑钢结构体系中竖向荷载的P-△效应研究

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高层建筑钢结构体系中,竖向荷载的P-△效应有时会比较显著,其造成的附加位移和附加内力通常不能忽略,此时需考虑P-△效应对结构强度和稳定的影响。我国的《钢结构设计规范》(GB50017-2003)和欧美等一些国家的相应设计规范提供了计算P-△效应的近似公式,对是否考虑P-△效应以及如何考虑这一效应都作了明确规定;许多学者也先后提出了各种用于近似考虑这一效应的简化方法,如:Higgins迭代法、负刚度法、放大系数法等。然而,目前绝大多数方法都是应用在简单的平面钢框架结构中,因此研究高层建筑钢结构体系的P-△效应具有重要的理论意义和应用价值。本文采用一种近似考虑P-△效应的迭代方法,验证了它在平面钢框架中的适用性。迭代方法的思路如下:先对结构施加水平荷载,得到一阶水平侧移值;然后对发生侧移的结构仅施加竖向荷载,结构会产生附加侧移;用该附加侧移更新初始结构,仍对更新的结构单独施加竖向荷载,结构在竖载作用下会继续产生附加侧移;用前一步的附加侧移修正初始结构坐标,并对修正后的结构施加竖向荷载,计算此迭代步的附加侧移,重复以上迭代过程,直至附加侧移可以忽略不计。最后,一阶水平侧移和所有附加侧移之和为结构迭代总侧移;用总侧移对初始结构坐标进行修正,再在修正后的结构上同时施加水平荷载和竖向荷载,并进行一阶分析,即可得到结构考虑P-△效应后的内力。为探讨上述近似迭代方法在高层建筑钢结构体系中的适用性,本文采用ANSYS拟建了一系列不同高度、不同结构平面布置的高层钢结构模型,用近似迭代方法对它们的P-△效应进行了分析,并将之与几何非线性分析的结果进行对比。研究发现:随着模型楼层高度的增加,相应的P-△效应会增大;P-△效应随模型平面结构布置的变化而变化,近似迭代方法和几何非线性分析的误差大小也与平面结构的布置有关;此外,对同一模型的不同位置,P-△效应的大小以及迭代误差的大小亦不相同。
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