影响钢框架柱计算长度系数的因素

影响钢框架柱计算长度系数的因素

刁云云 刘 坚 黄襄云 (广州大学 广州 510405)

摘 要：

计算长度系数法避免了对结构做整体屈曲分析，因此得到广泛应用。钢框架柱的计算长度 系数与多因素 有关，体现在初始几何缺陷、荷载条件、节点连接刚度、支撑刚度、层间相互作用和二阶效应等方面。国内外的许多 学者已经推导了一些框架柱的计算长度系数公式，但一般是在一定的假设条件下推导出来的，没有充分考虑影响 框架柱的计算长度系数因素。通过综述这些因素的影响，为今后提出更精确的计算长度系数方法提供参考。

1概述

在钢结构的设计中，稳定性是一个突出问题。 如果这个问题处理得不好，将会造成不必要的损失。 目前设计钢框架结构时，一般并不计算框架本身的 整体稳定性，而是计算柱子的稳定性，即:将框架稳 定问题简化为确定柱子计算长度的问题。而框架柱 的稳定承载力设计计算公式直接取决于它的计算长 度。传统的做法就是确定框架柱的计算长度系数。 由于该方法是对单个构件进行设计，因此，在概念上 简单明了，在设计过程中，又便于根据实际情况对局 部构件截面进行调整;同时，在长期的使用过程中， 对计算长度系数法表现出来的种种不足之处，也进 行不断的修正和完善。因此，在 目前钢框架稳定设 计中，计算长度系数法仍具有很大的使用价值。但 是，现有的计算长度系数公式都是在一定的假设条 件下推导出来的，没有充分考虑影响框架柱的计算 长度系数因素，而实际上，框架在一定程度上不可避 免地与这些假设条件不一致[‘〕。对简单对称框架而言，计算长度系数的确定并不是很难，可以采用中 性平衡法121、转角位移法〔3]、刚度矩阵法〔4]等进行 计算。但对于杆件较多的多跨多层框架结构，问题 就变得复杂了。本文通过对影响框架柱的计算长度 系数因素进行综述，希望能给读者一些启示，为今后 提出更精确的计算长度系数方法提供参考。

2 影响钢框架柱计算长度系数的因素

2.1 初始几何缺陷的影响 构件本身都可能存在不同程度的初始几何缺 陷，主要包括初弯曲、初偏心和初扭转等。实际的构 件总会有微小的初弯曲。初弯曲带来的初弯矩会加 快截面边缘的屈服速度，使构件的承载力有所降低。 而构件尺寸的偏差和安装误差会产生作用力的初偏 心。关于考虑单元的几何缺陷的方法151有3种:1) 单元模型的直接缺陷法;2)等效名义荷载法;3)进一步降低切线模量法。单元模型的直接缺陷法，就是 在结构分析时直接在单元模型中引人一个确定的缺 陷值，这就意味着构件的初始状态不再是直线，而是 有一个初始跨中挠度或端部的初始倾斜角。等效名 义荷载法，就是在结构分析时采用名义侧向荷载施 加到结构每层上，来近似表示几何缺陷对结构的影 响。框架的几何缺陷可以由作用在柱顶的重力荷载 的百分比表示，如图 1所示的悬臂柱就说明了等效 名义荷载法的基本思想。由几何缺陷引起的弯矩 M 等效于作用在柱底部的PL /500(图 la)，由等效 名义荷载引起的 M 等效于aPL(图 lb)。这里的 a 是等效名义荷载的系数，为使图 la和图 lb中的M 相等，。取为0.002[61，即:对于失稳时有侧移的框 架，几何缺陷取为初始倾斜率(图 la)，也可用假想 荷载 0.002P作用于柱顶(图 lb);对于失稳时无侧 移的框架〔71，可取柱的初始矢度为L /1 000，也可用 位于柱高度中央的等效名义荷载 0.004P代替(图 2)。进一步降低切线模量法是在结构分析时，未考 虑几何缺陷对结构性能的影响而进一步降低材料切 线模量的方法。该法相对于直接缺陷法和等效名义 荷载法的优势在于不需要确定几何缺陷的方向，应 用比较方便。

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