标准规范下载简介和预览
第二章 轻型门式钢刚架设计的基本理论第二章轻型门式刚架设计的基本理论主要阐述该结构体系的力学本质、设计原则与关键理论基础。轻型门式刚架是一种由变截面实腹H型钢柱和梁通过端板螺栓刚接（或半刚性连接）构成的单跨或多跨平面刚架，广泛应用于单层工业厂房、仓储及大跨度建筑中。其核心理论基于弹性分析与塑性设计思想的结合：一方面，依据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》（GB51022），采用一阶弹性分析方法（考虑几何非线性影响时辅以二阶PΔ分析），合理模拟梁柱协同受力与整体侧移；另一方面，充分考虑构件局部屈曲与整体失稳的相互作用，引入有效截面法与直接分析法（DAM）进行稳定性验算。本章重点解析刚架的内力分布特征——如柱脚弯矩小、梁跨中弯矩大、隅撑约束下梁翼缘屈曲模态受控等；阐明“强柱弱梁”“强节点弱构件”的抗震设计理念在轻钢体系中的适应性调整；并系统介绍荷载组合（恒载、活载、风载、雪载及吊车荷载）、侧向稳定计算（包括屋面檩条与隅撑对梁受压翼缘的侧向支撑作用）、以及刚架平面外稳定与整体屈曲的简化判别方法。此外，还强调半刚性连接的实际转动刚度对内力重分布的影响，以及蒙皮效应（围护系统参与抗侧）在理论分析中的合理简化处理。本章为后续构件选型、节点设计及施工图绘制奠定坚实的理论根基。（约498字）
高填方路基专项施工方案第四节 稳定设计的基本知识
1．稳定问题的基本类型
结构稳定问题可分为以下五类：
第一类稳定问题：理想结构的欧拉屈曲
第二类稳定问题：实际结构的极限承载力
第三类稳定问题：屈曲后极限承载力
第四类稳定问题：缺陷敏感型结构的稳定
第五类稳定问题：跳跃型稳定
图2.10 稳定问题类型
如前所述，轻型钢结构的计算模型是平面刚架。平面刚架的整体稳定设计可分为平面内整体稳定设计和平面外整体稳定设计两个部分。刚架平面内的整体稳定属于上述第二类稳定问题，平面外整体稳定属于第一类稳定问题。轻型钢结构构件的板件局部稳定问题属于第三类稳定问题。
2．具有理想边界条件基本构件的整体稳定
基本构件稳定设计的基本准则有三个。
准则一：临界屈曲荷载准则。以构件临界屈曲荷载作为构件失稳的准则，适用于压弯构件平面外稳定和受弯构件的弯扭稳定设计；
准则二：边缘纤维屈服准则。以考虑构件二阶效应后的截面边缘纤维最大应力屈服作为构件失稳的准则，适用于薄壁构件压弯平面内的稳定设计；
准则三：稳定极限承载力准则。以具有初始缺陷的实际构件的极限承载力作为构件失稳的准则，适用于轴心受压构件和压弯构件平面内的稳定设计。
对于轴心受压柱，初始缺陷、截面类型和尺度都会影响构件的极限承载力。现行规范取多条柱子曲线（曲线）来考虑各种影响因素，并以统一的稳定系数表示构件绕两个截面主轴的弯曲稳定和扭转稳定极限应力与材料设计强度的比值，即：
于是，轴心受压柱平面内外弯曲和扭转稳定的设计公式可写为：
上式中，和分别为构件所受的轴压力和构件截面面积。
对于受弯构件梁，平面内是强度问题，平面外是第一类稳定问题。其平面外稳定设计公式为：
上式中，、、分别为构件的临界弯矩、临界应力和弯扭屈曲系数。和分别为构件所受的弯矩和构件截面抵抗矩。
对于压弯构件平面内的稳定，现行规范首先基于截面边缘屈服的准则推导出带初始缺陷的构件内二阶弯矩的表达式及截面最大应力。在此基础上进行修正得到第二类稳定问题的设计公式。推导过程如下：
上式中，为端部偏心（代表初始缺陷）；为构件最大挠度；和为构件所受的平面内弯矩和截面抵抗矩。
假定构件挠曲线为正弦曲线分布，根据外弯矩和截面内弯矩相等的条件可推导得：
上式中，为截面塑性深入系数，为常系数。
压弯构件平面外的稳定问题为第一类稳定问题，现行规范采用线性相关的形式近似和偏于安全地得到构件稳定的设计公式，如下所示：
上式中，为构件平面外的轴心受压稳定系数。
（3）双向压弯构件
对于双向压弯构件，现形规范采用近似和偏于安全的线性相关公式给出构件绕两个主轴的稳定验算公式，如下所示：
3．轻型钢结构整体稳定设计的基本理论
轻型钢结构刚架的稳定设计包括平面内的稳定设计和平面外的稳定验算。主刚架平面内的稳定是由刚架平面内的刚度和构件截面刚度提供的；主刚架平面外的稳定是由结构纵向支撑和构件截面刚度保障的。
主刚架整体稳定承载能力的精确数值分析理论是二阶弹塑性理论，二阶弹塑性理论又称极限承载力理论。同二阶弹性理论相比，二阶弹塑性理论分析时必须考虑构件截面材料的塑性深入。虽然现在各种商用软件包都可以进行结构构件和体系的二阶弹塑性分析，但是现行规范还是采用近似公式设计结构的整体稳定。其原因在于：（1）使用软件进行结构的二阶弹塑性分析需要较深的专业知识并耗费较多的计算计时，用于大量结构的工程设计无论是从对工程师的要求而言还是从工作效率而言都不现实；（2）使用软件进行结构二阶弹塑性分析得到的稳定极限承载力只是结构稳定的标准抗力值，而稳定承载力的分项系数与结构初始缺陷等一系列随机变量有关，涉及基于可靠度理论的稳定设计问题，目前对这一问题的研究还没有可供实用的研究成果。
主刚架整体稳定的近似设计方法是将结构的稳定问题分解和等效为梁和柱构件的稳定问题。采用弯矩不均匀系数考虑构件内实际弯矩分布；采用计算长度概念等效考虑梁和柱构件在刚架中的边界约束条件。
现行规范关于稳定设计的近似公式是基于两端铰接这一理想构件的研究和推导得到的。但是，实际结构中的梁和柱边界支承条件十分复杂。实际构件和理想构件的等效原则是两者屈曲临界力相等，根据这一等效原则可以得到实际构件的计算长度。换言之，实际构件是具有计算长度的理想构件的一部分。这样，规范的稳定设计近似公式就可以直接应用于实际构件，只是以计算长度代替实际构件长度。
记实际构件的屈曲临界力为，假定其计算长度为。而长度为的理想构件的屈曲临界力为。根据等效原则，计算长度的一般公式为：
由前所述，确定实际构件计算长度的关键是确定构件的屈曲临界力。虽然现有商用软件包可以容易地确定各类结构及其构件的临界力，但是在实际设计中还是采用简化的近似公式或图表来确定构件的计算长度。原因在于：①商用软件包的使用要求较高的专业知识，对于量大面广的工程设计的广泛应用有一定困难；②一般而言，结构和构件的计算长度与作用其上的荷载有关。如果使用商用软件进行计算，必须计算各个荷载组合下的计算长度，取其最大值（临界力最小）作为设计时的计算长度，工作量过大。
1．普通钢结构构件中板件的局部稳定设计
构件局部稳定的主要影响因素是板件宽厚比。设计时通过限制宽厚比值来确保构件不产生局部失稳，局部稳定的设计原则有以下三类：
当局部稳定不满足要求时，可采用以下三种措施：
（1）增加厚度。这一方法将增加结构构件的自重，从而浪费材料；
（2）减小板件宽度。这一方法将导致降低截面强度和构件的整体稳定承载力；
（3）设置加劲肋。这一方法既经济合理又可靠有效。
轻型钢结构构件中板件的局部稳定设计
轻型钢结构构件的局部稳定属于第三类稳定问题，设计时充分利用板件的屈曲后极限强度。一般将截面内板件区分为加劲板件（H形和箱形截面的腹板）、未加劲板件（H形截面的翼缘）、部分加劲板件（C形截面的翼缘）等。
未加劲板件的屈曲虽然没有横向薄膜应力，支承边的弹性约束可以使板件所承受的荷载有所增大，理论上仍有一定的屈曲后强度可以利用；但是由于当翼缘屈曲后有效宽度减小，有效截面的形心偏移，造成荷载对截面形心产生偏心力矩从而影响翼缘的屈曲后承载能力。所以未加劲板件的屈曲后强度一般都只作为强度储备。
边缘加劲构件对翼缘一边是相邻板件的弹性支承，一边是板件卷边对板件的简支支承；对卷边则是一边翼缘简支支承，一边自由。两块板件相互支承，相互影响。其屈曲模式复杂，当卷边具有适当的宽厚比，卷边不先于翼缘屈曲，翼缘同加劲板件；当卷边过窄，则出现象轴心压杆似的平面内屈曲，翼缘随同卷边变形，当卷边过宽，则卷边也趋于先屈曲。当然，卷边对翼缘是否能充分加劲是一个非常复杂的问题，不仅同截面上卷边同翼缘尺寸有关，还同纵向构件的支撑长度有关。
例如对于卷边槽钢构件，腹板作为加劲板件来处理，翼缘为边缘加劲板件，但是腹板和翼缘之间屈曲也有相关性。相邻的强板会对弱板起支承作用，各板件屈曲后，整个截面具有屈曲后强度，直至各板件相交转角处达到屈服点为止。在有效宽厚比设计方法中需要考虑板组效应的约束影响。
与板件有效宽度概念相对应的是截面的有效面积。在截面强度和构件整体稳定设计时，采用有效截面的特性（面积、抵抗矩）替代相应的全截面特性进行计算，意味着设计时已经利用了截面板件的屈曲后强度。这样的设计思想意味着容许截面板件在承载能力阶段发生局部失稳。但是db43／t 1315-2017 森林城市评价指标，验算结构的位移和刚度时取全截面特性，说明在正常使用阶段不考虑截面板件产生局部失稳。
由于设计时考虑了构件板件的屈曲后极限承载力，一般而言，轻型钢结构构件中无需配置加劲肋。但是，构件在起吊按装过程中往往因为截面抗扭刚度较小而发生破坏。所以，对于跨度较大的轻型钢结构构件，应该设置构造加劲肋以防止安装过程中截面产生扭转折曲。
第五节 优化设计的基本知识
一、结构优化设计的基本概念
1．结构优化设计的数学模型
结构优化设计可定义为：对于已知的给定参数，求出满足全部约束条件并使目标函数取最小值的设计变量的解。这个定义可用数学方式表示为：
其中，称为设计变量，称为目标函数，，所在方程称为约束条件。
设计变量指在设计过程中所要选择的描述结构特性的量，它的数值是可变的。设计变量可以是各个构件的截面尺寸、面积、惯性矩等设计截面的几何参数，也可以是柱的高度、梁的间距、拱的矢高和节点坐标等结构总体的几何参数。设计变量通常有连续设计变量和离散设计变量两种类型。
（1）连续设计变量。这类变量在优化过程中是连续变化的db44／t 1642-2015 风光互补led路灯，如拱的矢高和节点坐标等。