浅谈新钢标下钢结构二阶分析设计思路

高 磊

（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 100120）

钢结构体系复杂多变，传统的一阶分析设计方法已逐渐不能适应现阶段钢结构设计需求。很多国家已将二阶分析设计方法纳入钢结构设计规范中，代替传统的一阶分析和基于计算长度系数的设计方法[1]。我国实施的新版钢规GB 50017-2017《钢结构设计标准》 （简称“新钢标”） 增加了直接分析法，丰富了二阶分析设计内容。直接分析法力求完整模拟真实结构的受力情况，使结构设计更加全面合理[2-3]。

1 二阶分析设计条件

钢结构构件整体稳定的计算分为一阶分析、二阶分析和直接分析，通过最大二阶效应系数以进行分析方法的判别，再采用各分析设计方法对结构构件的整体稳定进行分析。当时，可采用一阶弹性分析；当时，宜采用二阶弹性分析或采用直接分析；当0.25时，应增大结构的侧移刚度。对于规则框架结构和一般结构，二阶效应系数分别按式（1）和式（2）计算。

式中：∑Nki为第i楼层各柱轴心压力标准值之和；∑Hki为产生层间侧移△ui的计算第i楼层及以上各层的水平力标准值之和；hi为第i楼层的层高；△ui为∑Nki作用下按一阶弹性分析求得的第i楼层的层间侧移；屈曲因子ηcr为整体结构最低阶弹性临界荷载与荷载设计值的比值。

2 二阶分析设计初始缺陷

2.1 结构整体初始几何缺陷

2.1.1 位移方式：结构整体初始几何缺陷模式可按最低阶整体屈曲模态采用。整体初始几何缺陷代表值按式（3）确定。

2.1.2 假想力方式：通过在每层柱顶施加假想水平力Hni等效考虑，施加方向应考虑荷载的最不利组合，假想水平力可按式（4）计算。

式中：△i为第i楼层的初始几何缺陷代表值；ns为结构总层数，当时取此根号值为；当＞1.0时，取此根号值为1.0；hi为第i楼层的高度；Gi为第i楼层的总重力荷载设计值。

2.2 构件的初始缺陷

2.2.1 等效几何缺陷：构件的初始缺陷代表值按式（5）确定，该缺陷值包括了残余应力的影响。

2.2.2 假想均布荷载：采用假想均布荷载进行等效简化计算，假想均布荷载按式（6）确定。

式中：δ0为离构件端部x处的初始变形值；e0为构件中点处的初始变形值，按表1取值；x为离构件端部的距离；l为构件的总长度；q0为等效均布荷载；Nk为构件承受的轴力标准值。构件初始弯曲缺陷值当采用直接分析不按弹塑性分析时，可按新钢标中表5.2.2取构件综合缺陷代表值；当采用直接分析按弹塑性分析时，应按新钢标第5.5.8条或第5.5.9条考虑构件初始缺陷。

图1 二阶分析设计流程

3 二阶分析设计流程

二阶分析设计方法包括二阶弹性分析设计方法和二阶弹塑性分析设计方法（又称直接分析设计法）。如图1所示，二阶弹性分析时，应考虑P-△效应和结构的整体初始缺陷，具体实施时，根据是否考虑P-δ效应，有两种分析设计方法。二阶弹塑性分析设计方法需要同时考虑P-△和P-δ效应，并允许材料进入弹塑性受力状态。弹塑性分析时宜采用塑性铰法或塑性区法。

4 截面承载力计算

将整体初始几何缺陷和构件初始缺陷建入计算模型进行内力和位移计算，并将所得内力代入式（7）或式（8）中进行稳定性验算，而不需要按照计算长度法进行构件受压稳定承载力验算。

当构件有足够侧向支撑以防止侧向失稳时，稳定性验算公式为：

当构件可能产生侧向支撑时，稳定性验算公式为：

式中：MxⅡ，MyⅡ分别为绕X轴、Y轴的二阶弯矩设计值，可由结构分析直接分析得到；Wx，Wy分别为构件绕X轴、Y轴的毛截面模量（S1，S2，S3，S4级） 或有效截面模量（S5级）；Mcx，Mcy分别为构件绕X轴、Y轴的塑性毛截面模量。

5 适用范围

新钢标中推荐采用直接分析法的结构类型有大跨度钢结构体系、张拉体系、单层球面网壳、柱面网壳和椭圆抛物面网壳。随着新钢标的施行推广，直接分析法会逐渐成为钢结构设计的首选方法。

6 结语

本文简要介绍了新钢标中关于钢结构计算分析和设计要求，对二阶分析设计流程进行了梳理，同时对比了计算长度法和直接分析法，以便于结构设计和科研人员熟悉新钢标下钢结构的设计思路，使钢结构的设计更加合理与实用。