CSA S16:19 稳定性考虑和新增附录 O.2

在钢结构设计中，结构稳定性并不是一个新现象。 加拿大钢结构设计标准 CSA S16 和最新的 2019 版本也不例外。 详细的稳定性要求可以使用第 8.4.3 章中的简化稳定性分析方法来解决，或者使用 2019 标准中附录 O 中提供的稳定性影响弹性分析方法[1].

第 8.4.1 条[1]列出了结构设计应使用的任何一种方法解决的稳定性要求。 其中包括对结构产生影响的变形、二阶效应（包括 P-Δ 和 P-δ）、全局和杆件几何缺陷、考虑到杆件屈服应力和残余应力的刚度折减，最后是结构刚度和强度的不确定性。

8.4.3 简化稳定性分析法

根据8.4.3 [1]中给出的简化稳定性分析方法，只列出了几个要求。

几何非线性

第一种包括杆件二阶效应，或 P-Δ，可以在分析中直接考虑。 在当今的许多结构分析软件中，二阶分析计算方法是最常见的。 替代方法是通过 8.4.3.2(b) [1] 中定义的系数 U2 放大从一阶分析中获得的所有杆件轴向荷载和弯矩。 如果结构分析软件不自动包含 P-Δ 效应，则这种方法可能更适合手动计算。

几何缺陷

名义侧向荷载是第 8.4.3.3 章简化方法下列出的第二项[1]。 该荷载等于所考虑楼层的总考虑重力荷载的 0.005 倍，并且其分布与重力荷载相似。 假想荷载总是施加在产生最大失稳作用的方向上。 这意味着这样的荷载应该与侧向风荷载的方向相同，以便在结构上产生最大的变形和内力。

附录 O.2 – 弹性分析中的稳定性效应

作为上述简化稳定性分析方法的替代方法，工程师可以利用附录 O.2 来满足第 8.4.1 条 [1] 中规定的稳定性要求。 该方法被添加到 2019 年标准中，与美国钢结构设计手册 AISC 360-16 Ch. 有许多相似之处。 C 直接分析法。

几何非线性

在 O.2.2 [1] 中讨论了几何非线性或二阶效应。 与简化方法一样，可以直接进行二阶分析，其中包括作用在杆件位移相交点上的荷载效应（P-Δ 效应）。 此外，还应考虑作用在沿长度方向挠曲的杆件形状的轴向荷载的影响（P-δ）。 在 O.2.2 [1] 中有规定，其中 P-δ 可以完全忽略。 另一方面，如果 P-δ 直接包含在分析中，则系数 U1 可以设置为 1.0，这在第 13.8 节 - 杆件受弯构件的设计中使用[1]。

几何缺陷

按照第 O.2 章进行设计时，不需要考虑杆件几何缺陷，例如杆件不平直或杆件局部几何缺陷，例如单元不平直[1]. 但是，全局几何缺陷应该通过直接建模或使用名义侧向荷载来考虑。 但是有一个例外是，对于横向荷载组合，这些全局几何缺陷可以忽略不计，前提是它们满足第 O.2.3.1 条 [1] 中的要求。 要求包括结构的重力荷载主要由竖向结构构件支撑，以及按照第 O.2.4 节使用折减的杆件刚度时最大二阶楼层位移与一阶楼层位移的比值[1] 在任何楼层级别不超过 1.7。

当工程师不能忽略这些缺陷时，可以使用第一种直接建模方法。 杆件相交点应该从它们原来的位置偏移。 该初始位移的幅值在第 29.3 章 [1] 中给出，并且施加在最大失稳方向上，对于大多数建筑结构来说，该值是柱偏心公差的 1/500。垂直度。 这种方法的一个重要问题是必须考虑大量的模型场景。 理论上，每个楼层需要在四个不同方向上产生四个位移。 如果杆件非直线效应也与柱非垂直效应耦合，则需要考虑更多的建模方案，才能达到最大的失稳效应。

全局几何缺陷的替代和首选方法是施加名义侧向荷载。 只有当重力荷载主要由竖向结构构件支撑时，才允许使用这种方法。 名义侧向荷载在本文前面已经介绍过，其计算方法与第 8.4.3.2 节中的简化稳定性分析[1]相同。 但是，在相关楼层，振幅从计算后的重力荷载系数的 0.005 倍减小到 0.002 倍。 在第 O.2.3.3 节中允许减小量值，因为这些名义荷载只考虑全局几何缺陷，而第 8.4.3.2 节中的名义荷载 [1] 也考虑了非弹性影响和其他不确定性。

非弹性效应

为了考虑非弹性效应并考虑初始杆件或局部几何缺陷以及刚度和强度的不确定性，在条款 O.2.4 中按照以下公式折减杆件的轴向刚度和抗弯刚度 [1 ] 应用于影响侧向稳定性的杆件。

• EA_r = 0.8τ_b EA

• EI_r = 0.8τ_b EI

哪里，

• C_f/C_y < 0.5 ; τ_b = 1.0
• C_f/C_y > 0.5 ; τ_b = 4C_f/C_y (1-C_f/C_y )

为了避免局部变形，该标准建议将此刚度折减应用于所有杆件。 此外，当抗剪刚度 (GA) 和抗扭刚度 (GJ) 对侧向稳定性有显着影响时，应考虑折减刚度。 在分析位移、挠度、振动或固有振动时，不应使用刚度折减。

附录 O.2 在 RFEM 6 中的应用

新一代有限元结构分析软件 RFEM 6 根据附录 O.2 的规定，结合了 CSA S16:19 标准的最新稳定性要求。

几何非线性

当静力分析计算方法设置为“二阶(P-Δ)”时，直接考虑第 O.2.2 条 [1] 中规定的二阶效应。 这可以在设计状况组合向导选项中应用。 在设计状况下的所有荷载组合也将自动设置为二阶分析。 如果需要，用户可以选择单独修改荷载组合的静力分析设置。


静力分析设置

在杆件分析中不仅会考虑 P-Δ 效应，还会自动考虑 P-δ 效应。 关于该主题的更多信息以及在 RFEM 6 中的验证，请访问 知识库 1759 。

因此，对于钢杆件设计，系数 U1 可以设置为 1.0，见 13.8。 该选项位于钢结构设计模块 - 极限配置 - 稳定性 - 设计参数下。


设计参数

几何缺陷

RFEM 6 用户可以通过移动杆件相贯的点或节点来直接模拟全局几何缺陷。 但是，为了确保该方法产生最大的失稳效果，需要建立多个模型和不同的场景。 这是相当耗时和麻烦的。

另一种方法是使用 RFEM 6 中提供的缺陷选项施加名义荷载。 首先，必须先在主选项卡下定义缺陷工况，其缺陷类型为“局部缺陷”。 通常包括在正交方向 X 和 Y 上的情况，具体取决于施加的侧向荷载，例如风荷载和地震荷载。 然后可以在分配选项卡下将缺陷工况与特定的荷载工况相关联，以产生最大的失稳效果（例如，+X 方向的名义荷载只能施加 +X 方向的风荷载）。


缺陷工况

在生成缺陷工况后，可以定义杆件缺陷。 在弹出杆件缺陷对话框的下拉选项中，截面截面为 CSA S16:19。 施加在杆件末端（即柱顶）的名义荷载大小为 0.002（如果使用简化稳定性法，则为 0.005）乘以杆件的轴力（杆件重力荷载）。 在相对的杆件端部内部施加一个相等且相反的力，以避免不切实际的基础剪力。 缺陷定义适用于杆件的局部轴，其方向与所施加的侧向荷载（例如风荷载或地震荷载）的方向相同。 该定义将进一步应用于模型中的所有竖向杆件。


杆件缺陷

将缺陷应用于模型后，设计状况默认设置为考虑所有荷载组合的缺陷。 缺陷应应用于承载能力极限设计状况，但关闭正常使用状况设计状况。 这可以通过新建一个组合向导定义类型、关闭缺陷考虑选项并仅应用于正常使用状况设计状况来设置。


组合向导

非弹性效应

刚度折减只能通过组合向导的定义选项和“考虑结构修改”复选框再次应用于最终设计状况。 可以创建一个新的结构调整定义。 在主选项卡 - 材料和截面下，勾选“杆件”复选框。 这将打开一个新的杆件选项卡，其中杆件刚度调整定义是根据 CSA S1-19 O.2.4 定义的。 | 钢结构。 该定义类型允许程序自动计算_τb折减系数，或者可以将所有杆件的值设为 1.0。 此外，系数 0.8 可以应用于各种杆件刚度类型。 用户可以决定是只将 τ_b和 0.8 应用于杆件的轴向刚度和抗弯刚度，还是同时考虑抗剪刚度和抗扭刚度。 输入刚度调整属性后，该定义可以应用于特定的杆件，也可以设置为“全部”应用于模型中的所有杆件。


刚度折减

杆件刚度修改

因为在正常使用状况设计（例如挠度验算）中不应该考虑杆件刚度折减，所以在正常使用状况组合向导定义中“考虑结构调整”复选框应该保持未选中状态。

在这些修改之后，所有已考虑的荷载组合将包括结构修改后的刚度折减，而所有未考虑的荷载组合将使用整个杆件刚度。

小结

RFEM 6 的分析工作流程中完全包含了加拿大钢结构设计手册 CSA S16:19 中附录 O.2 中的重要稳定性设计要求。 最值得注意的是，这些要求包括二阶分析，将名义荷载视为缺陷的能力，以及折减的杆件刚度。 如果您想观看该主题的详细示例视频，请观看网络研讨会 CSA S16:19 Steel Design在 RFEM 6 中


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钢结构 | CSA S16:19