美标钢结构分析如何施加 Notional Load

美标钢结构设计规范 AISC 360-10 第 C 章规定了稳定分析的几种不同的方法,但无论采取哪种方法,都需要考虑钢结构体系初始缺陷(system initial imperfections),本文就详细展开论述分析模型中如何考虑初始缺陷。

体系初始缺陷对应的是钢结构施工中柱子垂直度(out of plumbness)的允许偏差,如图 1 所示。规范允许两种方法来考虑初始缺陷。

图 1 施工垂直度允许偏差
  • 直接建模法:在分析模型的梁柱交点处直接施加位移,结构模型不是一个完全垂直的结构,而是伴随初始偏心的结构体系。这种方法的缺点是不同方向的初始偏心衍生出不同的分析模型。
  • 名义荷载法:将体系初始缺陷等效成一种假想的名义水平力,使名义水平力对结构的倾覆作用与重力荷载在初始偏心下的倾覆作用相当,本文推荐采用名义荷载法。

名义荷载法取值
对于 LRFD 设计方法,名义水平力的数值为:

Ni = 0.002Yi

其中 Yi 是第 i 层楼面的竖向荷载的 LRFD 的组合值,系数 0.002 对应了钢结构使用最大允许垂直度偏差 1/500。

名义荷载组合工况

规范规定名义荷载 Ni 应参与所有的荷载组合,然而规范 C2.2b (4) 允许在满足下列条件的情况下,Ni 仅参与竖向力(例如恒载、活载、屋面活载等)组合,不需要与水平力进行组合。

例外情况:当按照规范 C2.3 对构件做了刚度折减以后,二阶分析所得的水平位移与一阶分析所得的水平位移的比值小于 1.7 的情况,若未使用折减后的刚度进行分析,则限值变为 1.5。

这里简要说明一下,大部分钢结构都能满足上述要求,若不能满足,则说明结构体系侧向偏柔,应加大侧向刚度。因此大部分钢结构分析时,名义荷载都不需要与水平荷载组合。

名义荷载分布

名义水平力的分布模型应与竖向荷载的分布模式相同,在计算模型中有以下两种施加方式。

  • 集中法:将所有的竖向荷载合成到每一层的框架梁柱节点处,通过计算公式转化成名义水平力,指定到相应的节点上,如图 2 所示。
图 2 集中法
  • 详细法:将每一个竖向荷载转化成名义水平力,指定到模型中相应的节点上。对于复杂的模型,这样的操作非常繁琐。而 Staad pro 提供了内置的命令,可以直接将所输入的竖向荷载转化成名义水平力,极大地简化了操作,这里简要说明一下相关命令。
LOAD 1 : DEAD
JOINT LOAD
13 TO 16 29 TO 32 45 TO 48 61 TO 64 FY -100
LOAD 2: DEAD NOTIONAL LOAD
NOTIONAL LOAD
1 X 0.002

其中 LOAD 1 是常规的恒荷载,LOAD 2 是 LOAD 1 的名义水平荷载,命令“NOTIONAL LOAD”是名义荷载的命令,1 X 0.002 中的 “1” 指对应的竖向荷载工况 1,“X” 是名义荷载的方向,“0.002” 是水平力相对于竖向力的系数。

名义荷载方向

名义荷载应施加在对结构整体稳定最不利的方向,对于常见的竖向荷载,若不好确定最不利方向,则两个方向都施加,两个正交方向各考虑正负两种情况,共 4 中组合工况。

参考文献

AISC. Specification for Structural Steel Buildings (AISC 360-10), AMERICAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTION