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钢框架体系采用不同内力分析方法的结果差异性比较摘要：根据钢结构体系复杂程度和抗侧移刚度的强弱，在结构设计中，选择 合理的分析方法，对保证结构安全、有效具有重要的意义现行《钢结构设计标 准》GB50017-2017在《钢结构设计规范》GB50017-2003 " —阶弹性分析”、“二 阶弹性分析”基础上新增了“直接分析”方法本文通过一个实际工程算例，介 绍几种分析方法在设计结果上的一些差异，分析导致结果差异的主要因素对在 设计中如何正确、合理的选用分析方法提出一些建议关键词：一阶弹性分析 二阶弹性分析 直接分析 计算长度系数一、分析方法钢结构项目，工程结构失效，往往都是从关键构件破坏开始，其中构件失稳 是最为常见的一种破坏形式在日常设计工作中，构件的稳定性设计，是一项重 要的工作，它直接关乎结构的安全性采用有效的结构体系、选用正确的分析方 法，准确的进行结构和构件计算分析，是结构设计工作的关键现行的《钢结构设计标准》GB50017-2017中，给出了内力分析的三种方法： 一阶弹性分析、二阶弹性分析、直接分析其中“直接分析”是现行《钢结构设 计标准》GB50017-2017中新提出的一种方法。

一阶弹性分析法不考虑结构的几何非线性对内力的影响，结构分析模型假定 为理想的结构体系，不考虑结构变形影响，而是在设计阶段通过一系列参数来考 虑，如计算长度系数□（此时口通常不为1.0）、等效弯矩系数、稳定系数等 显然这种分析方法直接、简单，但是和结构的实际受力情况并不能保持完全一致， 特别是对一些复杂结构，这种分析方法得出结果，可能会存在与实际的受力偏差 较大的情况对于一些抗侧移刚度相对较柔的结构体系，体系的侧移对内力的影响不可以 简单的忽略，体系中实际存在的初始缺陷，往往是导致结构或构件失稳破坏的重 要原因，在原《钢结构设计规范》GB50017-2003中，对于满足其规定条件的一些 结构，要求按照二阶弹性分析法进行结构分析，此法在受力分析中，要求考虑结 构整体初始缺陷和结构的几何非线性，即考虑结构在荷载作用下产生的变形、结 构整体初始几何缺陷、节点刚度对结构和构件的内力和变形的影响计算分析时， 框架类体系往往采用等效水平荷载来代替结构整体缺陷，此时对于构件计算长度 系数口取为＜1.0;对于网壳、异形类结构，往往直接采用建立带有初始整体几 何缺陷的结构分析模型根据《钢结构设计标准》GB50017-2017第5.4. 1条条文 说明，采用此方法时，应运用荷载组合进行非线性求解，不可以采用荷载效应组 合。

在现行《钢结构设计标准》GB50017-2017中，在前2种分析方法方法基础上, 还增加了“直接分析”方法，此方法考虑了 P-A和P-5效应，同时考虑的结构 的几何缺陷、节点连接刚度、材料非线性、残余应力等对结构有明显影响的因素， 考虑材料的弹塑性变形和结构体系的内力重分布，获得结构体系在各种荷载工况 下的侧移、挠度和内力由于直接分析法已经考虑了一阶弹性设计中计算长度所 要考虑的因素，故不需要再对构件进行基于长度的稳定性验算直接分析法有两 种方式，其中的P-A-5弹性分析方法，不考虑材料的弹塑性变形（即不考虑材 料非线性），分析时不应该考虑内力重分布，是一种特定条件下的直接分析法 这种分析法对应目前 PKPM 软件中的“弹性直接分析设计方法”同样，直接分 析法是一种全过程非线性分析方法，不可以进行荷载效应的叠加，而应该采用荷 载组合进行非线性求解二、算例分析结构算例概况：本算例为一化工工艺装置钢结构框架，共2层（局部带夹 层），檐口高度约为12m,楼面板采用格栅板，屋面局部为格栅板，局部为轻钢 檩条+压型屋面板，框架四面敞开，不做维护结构框架柱脚与基础的连接采用 铰接连接方式；沿柱强（整体坐标系 Y 轴）、弱轴（整体坐标系 X 轴）两个方向 框架梁、柱之间均采用刚性连接方式；考虑到实际使用过程中的设备布置、检修 等要求，沿柱弱轴方向设置2道柱间支撑，柱强轴方向未设置支撑。

结构平面、 立面尺寸、布置如下图所示工程采用PKPM v5.2.2版本软件进行分析设计平面尺寸为66m x 18m，钢 材强度为Q345B；典型的柱截面尺寸规格：HW300x300xl0xl5；典型的楼面框架梁 截面规格：HN400x200x8xl3，屋面典型框架梁截面尺寸规格：HN350xl75x7xll 格栅板楼、屋面设备操作活荷载：4.0kN/m2，格栅板范围内的屋面、楼面恒荷载: 1.5 kN/m2，轻钢屋面恒荷载：0.5 kN/m2，设备荷载按实际计地震设防烈度为7 度，设防地震分组：第三组，场地类别：111类由于为甲类装置，结构抗震设防 分类按乙类（即重点设防类）进行设计，框架的抗震等级为三级，结构重要性系 数取：1.1结构沿X向假定为无侧移结构，Y向假定为有侧移结构分别按上述 三种方法进行分析结构整体初始几何缺陷代表值的最大值，按《钢结构设计标 准》GB50017-2017中规定取H/250 （H为结构总高）取用构件综合缺陷代表值 按《钢结构设计标准》GB50017-2017表5.2.2对应的规定取用图一图二图三三、主要结果比较（柱强弱轴两个方向，梁柱均为刚接）本算例分别采用了“一阶弹性分析”、“二阶弹性分析”和“直接分析”计算模型，其设计参数设置见表一：表一 不同分析方法计算模型的参数设置设计方法结 构整体 初始缺 陷构件初始缺陷P-AP-5柱计算长度系数一阶分析无无无无2.22/0.75 （根据附录E）二阶分析H/250假想水平力非线性分析无<1.0直接分析H/250假想水平力几何刚度有限元法构件细分/经过计算，得到的三个模型的应力比如表二~五所示（以10轴交B轴处，一层框架柱及 6.1m 标高框架梁为例）：表二不同分析方法，结构刚度计算结果（kN/m）设计方法一层X向一层Y向二层X向二层Y向一阶分析0.459E+060.277E+050.312E+060.316E+05二阶分析0.459E+060.273E+050.311E+060.312E+05直接分析表三 不同分析方法，结构一层二阶效应系数计算结果设计方法一层ThetaX一层ThetaY二层ThetaX二层ThetaY一阶分析////二阶分析0.010.130.000.04直接分析表四不同分析方法，二阶线弹性分析时各层施加的假想水平力（kN）设计方法一层假想水平力X一层假想水平力Y二层假想水平力X二层假想水平力Y一阶分析////二阶分析41.341.319.019.0直接分析表五 不同分析方法应力计算结果设计方法柱强度比柱平 面内稳定 应力比柱平 面外稳定 应力比X向梁 最大应力比Y向梁 最大应力比一阶分析0.80.850.740.790.65二阶分析0.860.650.810.790.69直接分析0.80.730.780.790.67根据上表所列结果可知，对于同一模型，采用不同的分析方法进行结构设计 时，得到的同一构件的应力不完全一样，而且一根杆件的不同类型的应力比变化 趋势也不一样。

根据对应的计算结果，发现采用不同的分析方法，其柱强度比三 种分析方法得出的结果基本相同，柱稳定应力对应的组合保持一致，但其结果相 差较大，说明结构整体初始缺陷对杆件的应力影响比较明显，同一位置的杆件， 当采用不同的初始缺陷时，其应力比相差甚至达到 30%另外，从整个结构体系 来看，由于 X 方向（沿柱弱轴方向）设置了 2 道支撑，而 Y 向（沿柱强轴方向） 没有设置支撑，从计算结果来看，结构一层 X 向的整体刚度约为 Y 向整体刚度 16 倍，而且 X 方向绝对刚度较大，对于结构刚度较大的方向，杆件的稳定应力对结 构初始缺陷敏感度相对比较低，反之比较敏感五、总结与建议本篇介绍了现行《钢结构设计标准》GB50017-2017中关于结构分析的三种方 法在实际项目中的应用，通过对计算结果的归纳、分析、对比，总结的以下几点（1）对于同一结构分析模型，采用不同的分析方法进行分析、设计时，其 各杆件的应力比可能不同，有的杆件应力比可能相差明显对于刚度较小的结构 或结构刚度较小的方向，分析结果的差别明显，而且应力比结果也较大2）对于钢结构框架一类的结构体系，其自身刚度较小，结构设计中，应 该首先考虑设置支撑等能增强结构刚度的方案。

具体分析方法的选用，需要在清 楚各方法的适用条件基础上，结合项目结构体系本身的特点确定《钢结构设计 标准》GB50017-2017中，新给出的直接分析方法，虽然此法分析计算过程相对比 较复杂，由于目前设计中，计算、分析都是通过专业的软件完成，使得这种方法 得以能方便的应用到实际项目中对于计算结果，我们还是要通过对比较、分析 加以确定分析结果的合理性和可靠性参考资料1钢结构设计标准：GB50017-20172钢结构设计规范：GB50017-20033《钢结构设计标准》图示：20G108-34 钢结构设计及计算实例 金波 中国建筑工业出版社。