基于蒙特卡罗方法模拟的柱间水平撑杆设计方法研究

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在柱列支撑体系中通常在柱弱轴方向设置水平撑杆,以减小柱的平面外计算长度。过去国内外学者对水平撑杆设计方法的研究主要集中于水平撑杆设置于柱中点的情况,尚未见到水平撑杆未设置于柱中点时的受力分析研究报导。此外,国内外学者对水平撑杆在竖向荷载作用下保证稳定性的支撑力研究较多,对同时承受水平和竖向荷载作用的情况研究较少,《钢结构设计规范》(GB50017-2003)规定“支撑力可不与其它作用产生的轴力叠加,取两者中较大值进行计算”,这和水平撑杆的实际受力不相符合,没有科学依据。因此有必要对水平撑杆未设置于柱中点时的设计要求以及水平荷载对水平撑杆设计要求的影响进行全面深入的研究,为工程设计提供参考。在柱列支撑体系中,柱和水平撑杆的初始几何缺陷都具有随机性,两种构件初始几何缺陷的随机遇合可导致水平撑杆受压或者受拉,以往的研究大多是按照柱和水平撑杆的初始几何缺陷最不利组合进行受力分析,仅假定水平撑杆受压。因此,研究方法需要进一步改进,本文研究中考虑初始几何缺陷的随机遇合对水平撑杆受力的有利影响,以寻求合理的设计方法。采用蒙特卡罗方法,考虑柱和水平撑杆初始几何缺陷的随机性,应用有限元程序ANSYS分别对水平撑杆设置于0.6L和0.7L处的柱脚铰接柱列支撑体系进行了大量的参数分析,得到了可用于实际工程的柱间水平撑杆设计要求,并与水平撑杆设置于柱中点处的情况进行比较。比较结果显示:当柱根数和半柱高长细比均一定时,水平撑杆设置于0.7L处时的设计要求最高,水平撑杆设置于0.5L处时的设计要求居中,水平撑杆设置于0.6L处时的设计要求最低。采用蒙特卡罗方法,考虑柱和水平撑杆初始几何缺陷的随机性,确定了水平撑杆设置于0.6L和0.7L处的柱脚刚接的柱间水平撑杆设计要求,与相同条件下柱脚铰接的柱间水平撑杆设计要求进行了比较研究,分析了前者低于后者的原因。开展了水平和竖向荷载共同作用下柱中水平撑杆设计要求的研究,确定了支撑力与水平力的组合原则,提出了相应的设计公式。研究结果表明,水平和竖向荷载共同作用下的柱中水平撑杆设计要求远远高于仅承受竖向荷载作用的情况,也高于简单叠加法得到的结果,所得结论有别于现行国家规范。
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