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建筑结构的 P-Delta 分析方法

期刊:Journal of Structural EngineeringDOI:10.1061/(ASCE)0733-9445(1989)115:4(755)

综合学术报告

本文档是一篇综述性质的学术论文,题为“P-Δ Analysis of Building Structures”,作者为 Regina Gaiotti 和 Bryan Stafford Smith,发表在 Journal of Structural Engineering 期刊的第115卷第4期,出版时间为1989年4月。研究所属的领域为结构工程,重点聚焦于高层建筑中受力分析中的P-Δ效应及其解析方法的比较和检验。


论文主题与研究背景

论文的核心主题是对结构工程领域中的P-Δ效应(P-Delta Effect) 的科学分析。这一效应是当建筑结构在横向载荷(例如风载或地震荷载)作用下产生侧向位移时,竖向重力载荷在倾斜轴线上的偏心作用导致水平位移加大,从而使得构件内力加剧的一种重要二次效应。在传统的低层和中层建筑中,因刚度较大,这种效应通常可以忽略。然而随着建筑变得更加高耸和轻量化,这种效应变得愈加显著,若不加以考虑,将可能导致结构失效甚至坍塌。

论文主要针对以下几个问题展开: 1. 针对各种现有的分析方法进行全面回顾和比较。 2. 提出一种新的、基于迭代法原理但计算效率更高的方法。 3. 评价各种方法的准确性和适用性,以供工程设计使用。


研究方法与分析流程

P-Δ 效应的基础原理

论文首先介绍了P-Δ效应的物理机制及其工程影响。重力载荷P的偏心作用使得横向位移和构件弯矩增加,这是非线性相互作用的表现。初始的一级分析(First-Order Analysis)无法模拟此效应,因此需要借助更高阶的分析方法。

现有P-Δ分析方法的分类与概述

论文系统回顾了以下五类方法,并按照发展顺序依次比较: 1. 放大系数法(Amplification Factor Method)
该方法基于构件的弹性屈曲差分公式,使用一个放大系数来修正一级分析的横向位移和弯矩值。其优势在于快速简便,但对复杂结构的精度有限,通常仅用于评估是否需要更精确的分析。

  1. 迭代法(Iterative Method)
    借助重力载荷的偏心等效为横向载荷,通过多次迭代计算使结构的位移和内力逐步收敛。尽管精度较高,但在高层建筑中应用时计算成本较大,适用性受限。

  2. 直接法(Direct Method)
    通过一次性调整一级分析结果,计算每层结构的转角和漂移的修正值从而得到二次效应的结果。该方法对低层和中层刚性框架结构有效,但对主要以弯曲为主要变形模式的结构效果不佳。

  3. 负属性虚拟构件法(Negative Property Member Method)
    在结构模型中引入具有负刚度或负横向属性的虚拟构件,从而通过一级分析程序直接考虑P-Δ效应。该方法计算效率高且适合不同类型的结构,是作者推荐的最佳方法。

  4. 二阶计算机程序法(Second-Order Computer Programs)
    完整的二阶分析法通过精确计算结构在变形状态下的平衡条件得出结果,理论最为准确,但计算成本显著较高,在设计实践中的应用受限。

新提出的方法:基于迭代的重力载荷法

论文提出了一种优化的迭代方法——Iterative Gravity Load Method。通过分次施加重力载荷于弹性变形后的结构模型,从而快速生成P-Δ效应的结果。该方法具有以下特点: 1. 利用现有一级分析程序,适应性强且开发成本低。 2. 相较传统迭代法,分析步骤缩短至原有时间的三分之一,且精度相当。

各方法的适用范围与计算效率

  1. 放大系数法适合初步判断,精度低。
  2. 直接法快速,适合低层剪切型结构。
  3. 负属性虚拟构件法效率最高,无需迭代,适合最广泛的结构形式。
  4. 二阶计算机程序法适合理论分析和特殊复杂项目,但不适合普及。
  5. 新方法兼具效率和精度,推荐用于实际设计应用。

研究结果与应用建议

论文对比了各种方法的效率和应用范围,总结如下:

  1. 精度:理论上以二阶计算最为准确,迭代法紧随其后,而基于放大系数的近似方法精度最低。
  2. 效率:直接法和负属性虚拟构件法效率最高,迭代法和二阶计算成本相对较高。
  3. 适用性:负属性虚拟构件法和新的迭代重力载荷法适应性最广,适用于大多数高层和复杂结构。

论文提供了实际使用中的具体建议: - 对于低层刚性框架,直接法足以应对。 - 对于高层建筑,推荐负属性虚拟构件法新的迭代重力载荷法。 - 二阶程序应仅限于极高精度需求的特殊场景。


重要发现与论文价值

  1. 首次系统地回顾并比较了P-Δ效应研究中的多种主流解析方法。
  2. 提出了具有创新性的方法(Iterative Gravity Load Method),有效提高计算效率。
  3. 确定了负属性虚拟构件法作为可操作性和精度的最佳平衡方案,对实际工程设计具有重要借鉴意义。

总结与意义

论文为建筑结构中P-Δ效应的分析提供了全面和多角度的研究支持,针对高阶效应的考虑在高层建筑日趋轻量化的趋势下尤其重要。其提出的创新方法和建议对实际设计和进一步学术探索均具有指导意义。

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