摘要：随着现代计算机技术和结构计算理论的发展，钢结构高等分析法被应用到结构设计中，高等分析法是考虑了结构的非线性响应、各种缺陷以及其他影响结构承载能力的因素，通过对结构进行一次全过程的整体分析，从而研究结构的响应。文章重点就钢结构框架体系整体非线性分析进行研究，以供参考和借鉴。
关键字：钢结构；整体框架；非线性分析；研究
引言
钢结构具有材料强度高、材质均匀、工业化生产程度高等优点，目前在国内外的工程建设中得到了越来越广泛的应用，但是由于钢材强度高，构件一般板件较薄，长细比大，更容易出现失稳现象，因失稳导致的钢结构事故也是非常常见的。目前大跨度、大空间结构应用越来越多，从用途单一的仓库、车站等工业建筑到多用途的大型交通枢纽、体育场馆、展览中心等结构，对于这些大型公共建筑，结构体系复杂，设计难度高，投资大，人员密集，所以对其安全性要求极高，其结构设计若仅对构件进行强度、稳定性、刚度进行计算和验算，无法保证其可靠性，还必须对其进行整体稳定性计算。
1钢结构框架体系研究
1.1框架-支撑结构体系
钢框架-支撑体系是在框架体系之中的部分框架柱之间设立竖向支撑，使用若干榀带竖向支撑的支撑框架，这个体系拥有着良好的抗震性能和比较大的侧向刚度，这样的话就起到了支撑起剪力墙的作用，并且担负大部分水平侧力。在遇到地震的情况之下，一旦支撑系统被破坏，内力重分布则由框架来承担水平力，这就是所说的两道抗震防线。一般来说，这种体系的建筑比较适合高度大概是框架体系的两倍，也可以用到30～40层的高层建筑之中。水平剪力主要是由腹杆而不是柱来承受的，腹杆轴力的水平分量担负着侧向剪力，如此则就相当于一个悬臂梁的性能，这种结构形式不管是从强度或者变形的角度来看的话，都是相当有效的。梁柱框架通常是铰接或者半刚接，它的侧向刚度则可以忽略不计，柱承受着通过墙、梁、楼板这些传来的竖向荷载，通常这个体系它比纯框架结构使用的钢量较少，节点构造也比其他体系相对简单，采用支撑结构可以大大的增加结构它的整体刚度以及提高抗侧能力。由于建筑承受的侧向荷载可能是反向的，支撑轮换着承受压力以及拉力，所以支撑常按照更加严格的受压情况来设计。
1.2抗侧力体系
高层建筑侧向荷载这是结构设计的最为关键的因素，结构抗侧力性能也是结构整体性能比较重要的因素，抗侧力体系也是整个结构体系之中最重要的组成部分，在一定程度上决定着结构选型以及整体用钢量。双重抗侧力体系是由两道延性不同的分体系而组成的，具有两道抗震设防功能，当前被广泛使用到高层建筑结构之中。
1.2.1中心支撑
中心支撑指的是斜杆同横梁及柱汇交汇于一点，或者两根斜杆同横梁汇交于一点，或者同柱汇交于一点，汇交时都没有偏心距。依据斜杆的不同布置，可以分为十字交叉支撑、单斜杆支撑、K字形支撑，和V形支撑等等。框架-中心支撑体系也是最为常用的双重抗侧力体系之一，这类体系有较大抗侧刚度，这样的话就保证正常使用极限的状态要求，在通常遇到地震作用之下可以有效防止非结构构件被破坏，但是设计不当的框架-中心支撑结构在较大的地震中比较容易遭到破坏。地震之中当某一层钢支撑出现刚度、强度退化等情况，则就比较容易在该层产生软弱层，有时还会引起整体结构的倒塌，所以在抗震区对于中心支撑应该谨慎使用。
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1.2.2偏心支撑
偏心支撑框架是近几年之内发展起来的一种支撑结构的形式，它的主要特点是每一根支撑斜杆的两端，最少应该有一端同梁不在柱节点处而相连。支撑斜杆以及柱之间，或者斜杆同斜杆之间则形成了一个耗能梁段，使用耗能梁段的直接目的就是改变支撑斜杆与梁的先后屈服的顺序，在遇到等级较大的地震之时，一方面就可以通过耗能梁段的非弹性变形而进行耗能，而另一方面可以使得耗能梁段的剪切屈服在先，保护支撑斜杆不屈曲或是屈曲在后，这样的话就会有效地保持同时也会相应地延长结构抗震能力的持续时间，同时达到节约钢材的目的。偏心支撑框架结合中心支撑框架的强度、刚度高以及普通抗弯框架的延性、耗能性能好这些优点，通过耗能梁段的非弹性变形耗散进而大量输入结构的地震能量，它也是一种改进的新型抗侧力体系。
2非线性理论研究
2.1几何非线性
通常情况下需要在钢材未发生任何变型的前提下，进行平衡模型的数据建立，而之后发生的小范围的变型，可以不考虑进去。但是在变型数值超出可控范围内之后，就需要在已经建立模型的基础上，考虑内外力两层数据，并根据二者的数值演变进行数据记录和分析，最终归纳钢材料的弹性结论。我们把这一情况统称为几何非线性，几何非线性的影响因素少，所以研究难度也就相对降低。
2.2材料非线性
材料非线性的产生主要是因为不同的材料其弹性和承重数值存在差异性，这种差异性直接影响建筑施工。目前技术人员将材料的非线性简单的划分为两个方面：一是随着应用实践的延长而产生的弹性问题，二是不受应用时间影响的弹性问题。本质上来说二者没有太大的区别，可以遵守基本的力学应用和建筑学应用理论，所以人们没有对该领域进行深度的分析和研究。二
2.3边界非线性
边界非线性通常都发生在建筑施工的边界位置，受到施工建筑工人主管思维意识的影响比较大，同时也因为工程建筑施工的实际请款而存在较大的差异性，所以不能对其进行具体的划分和讲解，同时所有的边界非线性问题都可以利用工程非线性观点和材料的非线性观点进行处理，所以就不对其进行具体的阐述，施工人员只有不断的提升自身的业务水平，才能较好的处理好边界非线性问题。
3钢结构框架体系整体非线性分析
空间杆单元一般只承担着轴向拉伸或者压缩，只产生轴向应力以及应变，每个节点通常只有三个平动自由度。单元刚度矩阵则包括有割线刚度矩阵以及切线刚度矩阵这两种形式，割线刚度矩阵反映的是总荷载同总位移之间的对应关系，而切线刚度矩阵则反映的是荷载增量同位移增量它们之间的对应关系，对于结构非线性这样的问题一般都使用增量法来进行求解，推导空间杆单元的切线刚度矩阵之时应该本着如下假定：第一，不考虑材料屈服的影响；第二，所有构件为等截面；第三，所有荷载都是保守的，节点都是理想铰接。梁单元几何非线性的精度主要是受到切线刚度矩阵、大转动的叠加的方法、单元划分精度、和单元内力计算方法这些因素的影响。一般空间梁单元切线刚度矩阵的推导使用的是两种方法：第一种是非线性有限单元法，考虑到应变的高阶项，选择位移插值函数应建立虚功方程来进行推导；第二种是梁柱法，这是基于平衡微分方程而直接推导。
结束语
综上所述，钢框架支撑结构体系作为一种比较高效的双重抗侧力体系，可以有效地提高钢框架的抗侧刚度以及抗震性能。在实际工程的应用之中，还可根据结构受力以及建筑功能的需要，而在一个工程之中选择一种或者多种支撑结构型式。钢框架支撑结构体系它作为一种比较新颖的高层结构体系，由于自身拥有良好的结构力学性能以及较高的经济性，如此则拥有广阔的应用前景。
参考文献：
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论文作者:冀晨歌,郭心田
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第10期
论文发表时间:2018/8/29
标签：结构论文; 刚度论文; 框架论文; 体系论文; 斜杆论文; 钢结构论文; 矩阵论文; 《建筑学研究前沿》2018年第10期论文;