第1章 绪论
1.1 选题的背景
现代钢铁与钢结构工业源自于欧洲[1]，以 1889 年的埃菲尔铁塔为标志；随后，在 1953 年前后，钢铁与钢结构工业发展浪潮由欧洲传至美国；1970-1996 年，日本成为新兴钢结构的主要产区。我国钢结构建筑在 20 世纪 50 年代迎来初盛时期[2]。
1996 年中国以钢产量超过 1 亿吨取代日本成为世界钢铁生产第一大国, 达目前为止我国一直保持着世界第一产钢大国的地位[3]。同时在城市建设中，钢材所占比例也逐年增大。钢结构作为土木工程行业一种主要的结构形式，与传统结构相比，其塑性、韧性强，抗震性能好，构件可提前预制，材料可回收再生等诸多优点被大量运用到土木工程中的各个领域[4]。
纵观国内外近几十年钢结构的发展过程，钢结构工程主要应用于大跨度、高层和超高层建筑、特异结构、大型幕墙骨架、大型桥梁等方向[5]。目前国内外钢结构建筑具有代表性的有：1937 年建成的旧金山金门大桥，塔高 227 米；1974 年建成的芝加哥西尔斯大厦，高度 442 米；1985 年 12 月建成的东京电视台，塔高 333米，占地面积 2118 平方米；1994 年建成的迪拜帆船酒店，高度为 180 米；1998年 4 月建成的日本明石海峡大桥，全长 3911 米；1998 年建成的吉隆坡双子塔，高452 米等等。
与其他发达国家相比，我国现代钢结构建筑起步较晚，1990 年我国拥有第一座钢结构建筑，即北京京广中心大厦[6]，此后钢结构在我国飞速发展，2008 年前后，在北京奥运会的推动下，大量钢结构场馆、机场、车站和高层建筑相继落成，代表性建筑有鸟巢、水立方、中央电视台总部大楼。其中奥运会国家体育场等建筑在设计、制造和安装等技术方面均达到了世界较高水平[7]。而在这些建筑建设的需求拉动下，我国钢结构需求显著增加，随后钢结构行业得到了快速发展。2017年，我国为推动钢结构建筑的发展，推出《“十三五”装配式建筑行动方案》[8]，指出到 2020 年，全国钢结构建筑占新建建筑的比例达到 15%，其中重点地区达到20%。
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1.2 选题的意义
在钢结构迅速发展的同时，钢结构的缺点也逐渐显现出来，比如钢材的耐火性和耐腐蚀性比较差，这些缺点对钢结构会造成致命的伤害。这是由于钢材的导热系数高，一旦受到高温的影响，钢材的组织会产生有害的变化，导致钢材迅速软化，使得钢结构的的承载能力显著降低，对建筑物的安全性能产生很大的隐患。例如，1990 年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢柱、钢梁和楼盖钢桁架的严重破坏[9]。同时，钢材容易受到腐蚀介质的影响，当钢材长期处于比较潮湿的环境下或者是在富含酸碱盐类的环境下极易被腐蚀，钢材受到腐蚀后，在其表面会形成不同程度的锈蚀，这样不仅会导致钢材在锈蚀处产生应力集中的现象，同时还减少了钢材的有效截面面积，加快了结构的破坏，减短了结构的正常使用时间[10]。在钢结构得到普遍推广和应用的同时，受到这些致命缺点的影响，使得国内外在钢结构工程事故方面的案例也多不胜数，造成很多不可挽回的损失。同时，国内外对钢结构研究越来越多，钢结构形式在不断的发展，并且在钢材选用方面一般都采用较高强度的钢材，这就使得结构构件逐渐变得轻质薄壁型，但是这种类型的构件对环境等因素影响更敏感。钢结构在受到相同荷载作用时，与钢筋混凝土结构、砌体结构等结构相比，钢结构构件由于强度高，所需截面较小，并且在实际工程中会受到各种不利因素，使得钢结构的稳定性成为需要攻克的一个课题[11]。
国内外关于钢结构的工程事故中，因失稳而导致结构破坏的工程案例较为常见。例如：位于美国康涅狄格州的哈特福市中心体育馆总面积 10000 多平方米[12]，于 1975 年建成，1978 年底在一场连续暴风雨过后，整个屋盖突然倒塌。哈特福市中心体育馆屋盖尺寸为 91.4m×109.7m，采用四柱支撑的正放四角锥网架结构，网格为 9.1m×9.1m，网架高 6.5m，每边悬臂 13.7m，网架本身不起拱，通过网架上弦节点上不同高度的钢立柱形成排水坡度，另外还设置了再分式腹杆以缩短上弦杆的计算长度，网架杆件均采用角钢，杆件采用高强螺栓连接，构造上，网架上弦及腹杆中心线交于一点，而再分式腹杆与上弦中心线未交汇于一点，有 30cm 的偏心，发生事故后，经专家分析认为主要是网架的计算模型与网架结构实际情况不符，网架的再分式腹杆未能对上线杆形成有效约束，致使网架上弦杆失稳破坏，同时作用在网架结构上的总荷载被低估了约 20 吨，荷载的低估意味着网架杆件内力值被低估，杆件实际内力大于计算内力，对结构本身的安全是极为不利的。
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第2章 钢框架结构承载力计算方法
2.1 钢框架结构承载力弹性分析
钢框架结构稳定的弹性分析方法主要有转角位移法、平衡法、刚度矩阵法这三种方法，转角位移法是应用最广泛的[20]，由德国科学家 A.本迪克森在 1914 年提出，它是位移法的一种，基本思路是分别研究某一杆件中各种因素对杆端力矩的影响，然后经过叠加得到杆端力矩与转角的关系式。
如图 2-1 所示，给出一根受轴线压力 N 的简支杆件，由资料[21]可知，杆件 AB的转角位移方程为：
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2.2 基于有限元软件的相关知识
2.2.1 有限元软件
ABAQUS 简介 ABAQUS 有限元分析软件是由世界知名的有限元分析软件公司 ABAQUS 公司于 1978 年推出，
ABAQUS 根据用户反馈的信息不断解决新的技术难题并进行软件更新，使其逐步完善。
ABAQUS 不仅能进行有效的静态和准静态分析、模态分析、瞬态分析、弹塑性分析、接触分析、碰撞和冲击分析、爆炸分析、断裂分析、屈服分析、疲劳和耐久性分析等结构和热分析，还可以进行耦合分析、压电和热电耦合分析、热固耦合分析、质量扩散分析等等。目前，ABAQUS 在很多国家被广泛使用，涉及的行业有机械、土木、水利、航空航天等多个领域，近年来，我国的 ABAQUS 用户也逐渐增长，使得 ABAQUS 在大量的高科技产品中发挥着巨大的作用。
ABAQUS 有限元分析软件为结构设计提供了强大的建模分析能力，主要建模流程如下：创建材料→创建截面属性→赋予截面属性→定义装配件→定义分析步→设置变量输出→定义边界条件→施加载荷→设置网格密度→选择单元类型→划分网格→提交作业→后处理。ABAQUS 最大的优势在于能够模拟各种复杂的几何形状，并且拥有丰富的材料模型库，可以用于模拟绝大多数的常见工程材料,如金属、聚合物、复合材料、橡胶、可压缩的弹性泡沫、钢筋混凝土及各种地质材料等。此外，ABAQUS 使用非常简便，很容易建立复杂的模型，对于大多数数值模拟，用户只需要提供结构的几何形状、边界条件、材料性质、载荷等工程数据即可。
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第 3 章 截面削弱条件下钢框架稳定性有限元分析 .................... 15
3.1 基于有限元软件的相关知识.................................. 15
3.1.1 有限元软件 ABAQUS 简介 ................................ 15
3.2 钢框架结构的稳定性分析...................................... 16
第 4 章 截面削弱条件下钢框架结构静力试验研究 ............................. 33
4.1 试验前期准备.................... 33
4.1.1 试验模型的设计及制作........................ 33
4.1.2 观测项目及测点布置.............................. 35
第 5 章 试验数据处理与分析.................................... 42
5.1 试验加载过程.................................. 43
5.2 荷载—位移关系曲线..................................... 46
第5章 试验数据处理与分析
5.1 试验加载过程
试验流程如下：试件安装就位，安装量测仪表和加载设备并进行调试，进行预加载试验和正式加载试验，用动静态应变测试采集仪 DH3821 采集各测点应变，用电子百分表测得各点位移，加载装置如图 5-2 所示。
在试验中，5 个试件的加载方案一致，采用高压油泵控制分离式油压千斤顶进行竖向加载，同时利用铸铁块进行水平加载，直至试件发生破坏。
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第6章 结论与展望
6.1 本文主要结论
本文以截面削弱条件下既有钢框架结构性能的研究与应用为课题，研究钢结构在长期使用过程中会受到环境因素的影响，（例如大气腐蚀和化学腐蚀）使结构构件的有效截面削弱，使其在各种外部荷载作用下承载力下降，导致在使用中的安全性受到较大的影响，而钢结构中结构的稳定性往往决定了承载力，因此研究截面削弱钢框架钢框架结构的稳定性问题十分重要。
主要得出以下结论：
（1）建立足尺钢框架结构有限元分析模型，利用 ABAQUS 软件对 6 种工况16 个分析模型进行了线弹性稳定分析和非线性屈曲分析，研究了钢框架结构在不同部位梁、柱截面以及不同削弱程度下稳定承载力的变化情况。通过对数据整理分析可知，当钢框架结构底层柱腹板厚度或底层梁翼缘厚度受到削弱时，对结构的整体稳定性影响并不大；当钢框架结构底层柱翼缘厚度受到削弱，梁、柱翼缘厚度均受到削弱，一、二层柱翼缘厚度均受到削弱时，对结构的整体稳定性影响较大，当削弱程度不断增大时，承载力急剧下降，此时应对结构进行加固处理，
从而保证结构的安全性。
（2）根据模型相似理论进行结构缩尺模型设计，设计并制作了 5 种梁、柱截面削弱程度的钢框架试验模型，完成了模型在竖向荷载与水平荷载共同作用下的静载试验，研究了承载力的变化情况。通过对比分析可知，相较于结构构件截面厚度无减小，当结构梁截面厚度减小而其他参数不变时，结构的极限荷载降低，但极限荷载降低幅度并不明显，可见，结构中梁截面厚度减小时，对结构的稳定性影响不大；当结构柱截面厚度减小而其他参数不变时，相较于结构构件截面厚度无减小，结构的极限荷载降低，极限荷载降低幅度较大，可见，当结构柱截面厚度减小时，对结构的稳定性影响较大。
参考文献（略）