分析钢结构设计方法的研究进展与展望

徐志强 刘 红

（辽宁 沈阳 110000）

1 建筑钢结构设计方法中的常见问题

钢结构设计中经常会使用到极限状态设计法，它的弊端在于设计过程中会经常利用到遗忘的设计经验进行建筑结构的安全性设计。这一点在钢结构设计中最需要改善的。另外在进行钢结构安全设计中还会采用一阶或二阶弹性方法计算。并进行再各种结构荷载下的结构位移和整体内力弹性分析。这种设计方法是在实质上进行构建的承载力极限设计,这种设计方式存在如下的缺陷：

1.1 结构内力计算和构建承载力不一致

钢结构整体设计过程中，通常会忽略几何非线性和材料非线性的影响，在建构使用过程中，构件的极限承载力和非线性弹塑性状态两者不会同时到达极限，但是在设计中会出现按结构弹性状态进行取值的情况。当按结构弹性状态计算时，每个部件都不会达到极限承载力，这就造成了整体结构和单个结构非弹性设计部稳合的现象发生。

1.2 结构整体失稳和实际失稳不一致

现阶段的设计规范中对结构失稳的计算规定在同一层结构中出现对称失稳，在设计中会认定结构的稳定性需要将构件设计的长度进行考虑，在这一计算过程中会出现计算结果和实际构件的弹性失稳形式的误差，也就是说，在计算结构长度时不能真实的反省出结构和构件之间的关系。

2 钢结构建筑设计中的分析方法

钢结构建筑在设计过程中围绕着如下几个问题进行设计分析。

2.1 改进现阶段钢结构设计

钢结构建筑在施工中经常会发现很多设计缺陷，这些缺陷一直困扰着设计者，所以在设计允许的弹性范围内进行设计改进是非常必要再，在设计改进中要充分考虑到建筑框架柱的长度问题，框架柱长度的大小是造成弹性失稳和弹塑性失稳的主要因素。同时还要针对梁柱的半刚性连接影响和构件的制造缺陷以及结构第二阶段影响。并且要将在一定条件下结构实际长度和设计长度进行比较。

2.2 建立荷载模型

结构的弹性因素是钢结构设计过程中需要考虑的又一因素，当结构收到竖向水平荷载力后，结构和材料的之间的弹性就会出现误差（水平荷载在增加0.2%～0.5%），这时就要忽略结构缺陷和非弹性材料之间的误差。

2.3 加入等效切线概念

钢结构在设计过程中可以适当降低弹性分析，并且调整结构的非线性与缺陷影响。但是在调整的过程中是难以保证调整精度的。常用的调整方法是利用结构弹性分析代替非弹性分析。所以在设计中局限性很大，在设计中加强等效切线的应用是提高钢结构设计质量的主要方法之一。

3 结构分析设计的发展

对新的结构分析设计方法的探讨 要彻底克服前述现行建筑钢结构设计方法中的前3种缺陷,必须建立以结构整体承载极限状态和结构整体极限承载力为目标的结构分析设计方法。为此,近年来一些研究者已提出了所谓的集成非弹性设计 （IntegratedInelasticDesign）和高等分析设计（AdvancedAnalysisDesign）方法等。这些方法主张在结构分析中充分考虑影响结构性能的各种因素,特别是非线性因素,直接计算和验算结构的整体极限承载力,以彻底免除构件计算长度和构件相关方程的概念,即免除构件验算的步骤。欧洲规范和澳大利亚极限状态标准[32]已包含了针对钢框架结构的此类设计方法的试用性条文。精确的结构整体极限承载力分析实质上是结构的二阶非弹性全过程分析。

4 钢结构设计中常用的体系可靠度计算方法

常用的钢结构体系可靠度计算有响应面法、失效模式法、随机有限元法、MonteCarlo法，下面我针对这几种常用方法进行说明：

1.响应面法；在设计中会利用一阶和二阶相似值代替结构极限状态，并将曲率变化看作最大的极限状态。这样会导致极大误差的产生，但是在正常使用极限状态下的可靠程度计算还是依赖于响应面法。

2.失效模式法：失效模式法不能进行复杂结构体系的精确计算，因为它不能和结构非线性分析进行有效的结合，所以它的局限性较大。

3.随机有限元法：它属于一种新型的计算方法，一般在计算结构功能时可以利用相关的向量导数。其优点在于计算速度快，步骤简便。其缺点是在计算过程中需要要严密的理论推导性。

4.MonteCarl法：这种方法虽然计算简便，但是需要大量的计算数据进行支持，常被用作可靠度计算方法的检验。现阶段的设计中已经使用了降低抽样方差技巧，所以MonteCarlo法在未来结构设计中会占据主导地位。

5 结束语

钢结构在进行设计的过程中，计算机的应用已经占据了主导地位，钢结构设计和分析的理论不断深入为进行集稳定理论、塑性理论和可靠性理论的钢结构高等分析提供了理论基础和研究条件。虽然我国的高等分析还处于初始阶段，但是通过研究技术的不断深入，钢结构设计将会形成以整体结构极限和承载力极限设计相互集成的设计方法，并且逐渐取代以基础构件承载力极限状态的设计方法，使钢结构设计方法趋于成熟。

[1]许建勋;钢框架节点受力性能及其对框架受力性能影响研究[D];浙江工业大学;2002年

[2]李茂华;国内外钢结构设计规范的比较研究[D];武汉大学;2004年