淺談新鋼標下鋼結構二階分析設計思路

高 磊

（中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

鋼結構體系復雜多變，傳統的一階分析設計方法已逐漸不能適應現階段鋼結構設計需求。很多國家已將二階分析設計方法納入鋼結構設計規范中，代替傳統的一階分析和基于計算長度系數的設計方法[1]。我國實施的新版鋼規GB 50017-2017《鋼結構設計標準》 （簡稱“新鋼標”） 增加了直接分析法，豐富了二階分析設計內容。直接分析法力求完整模擬真實結構的受力情況，使結構設計更加全面合理[2-3]。

1 二階分析設計條件

鋼結構構件整體穩定的計算分為一階分析、二階分析和直接分析，通過最大二階效應系數以進行分析方法的判別，再采用各分析設計方法對結構構件的整體穩定進行分析。當時，可采用一階彈性分析；當時，宜采用二階彈性分析或采用直接分析；當0.25時，應增大結構的側移剛度。對于規則框架結構和一般結構，二階效應系數分別按式（1）和式（2）計算。

式中：∑Nki為第i樓層各柱軸心壓力標準值之和；∑Hki為產生層間側移△ui的計算第i樓層及以上各層的水平力標準值之和；hi為第i樓層的層高；△ui為∑Nki作用下按一階彈性分析求得的第i樓層的層間側移；屈曲因子ηcr為整體結構最低階彈性臨界荷載與荷載設計值的比值。

2 二階分析設計初始缺陷

2.1 結構整體初始幾何缺陷

2.1.1 位移方式：結構整體初始幾何缺陷模式可按最低階整體屈曲模態采用。整體初始幾何缺陷代表值按式（3）確定。

2.1.2 假想力方式：通過在每層柱頂施加假想水平力Hni等效考慮，施加方向應考慮荷載的最不利組合，假想水平力可按式（4）計算。

式中：△i為第i樓層的初始幾何缺陷代表值；ns為結構總層數，當時取此根號值為；當＞1.0時，取此根號值為1.0；hi為第i樓層的高度；Gi為第i樓層的總重力荷載設計值。

2.2 構件的初始缺陷

2.2.1 等效幾何缺陷：構件的初始缺陷代表值按式（5）確定，該缺陷值包括了殘余應力的影響。

2.2.2 假想均布荷載：采用假想均布荷載進行等效簡化計算，假想均布荷載按式（6）確定。

式中：δ0為離構件端部x處的初始變形值；e0為構件中點處的初始變形值，按表1取值；x為離構件端部的距離；l為構件的總長度；q0為等效均布荷載；Nk為構件承受的軸力標準值。構件初始彎曲缺陷值當采用直接分析不按彈塑性分析時，可按新鋼標中表5.2.2取構件綜合缺陷代表值；當采用直接分析按彈塑性分析時，應按新鋼標第5.5.8條或第5.5.9條考慮構件初始缺陷。

圖1 二階分析設計流程

3 二階分析設計流程

二階分析設計方法包括二階彈性分析設計方法和二階彈塑性分析設計方法（又稱直接分析設計法）。如圖1所示，二階彈性分析時，應考慮P-△效應和結構的整體初始缺陷，具體實施時，根據是否考慮P-δ效應，有兩種分析設計方法。二階彈塑性分析設計方法需要同時考慮P-△和P-δ效應，并允許材料進入彈塑性受力狀態。彈塑性分析時宜采用塑性鉸法或塑性區法。

4 截面承載力計算

將整體初始幾何缺陷和構件初始缺陷建入計算模型進行內力和位移計算，并將所得內力代入式（7）或式（8）中進行穩定性驗算，而不需要按照計算長度法進行構件受壓穩定承載力驗算。

當構件有足夠側向支撐以防止側向失穩時，穩定性驗算公式為：

當構件可能產生側向支撐時，穩定性驗算公式為：

式中：MxⅡ，MyⅡ分別為繞X軸、Y軸的二階彎矩設計值，可由結構分析直接分析得到；Wx，Wy分別為構件繞X軸、Y軸的毛截面模量（S1，S2，S3，S4級） 或有效截面模量（S5級）；Mcx，Mcy分別為構件繞X軸、Y軸的塑性毛截面模量。

5 適用范圍

新鋼標中推薦采用直接分析法的結構類型有大跨度鋼結構體系、張拉體系、單層球面網殼、柱面網殼和橢圓拋物面網殼。隨著新鋼標的施行推廣，直接分析法會逐漸成為鋼結構設計的首選方法。

6 結語

本文簡要介紹了新鋼標中關于鋼結構計算分析和設計要求，對二階分析設計流程進行了梳理，同時對比了計算長度法和直接分析法，以便于結構設計和科研人員熟悉新鋼標下鋼結構的設計思路，使鋼結構的設計更加合理與實用。