鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設計研究

1、<p>　　鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設計研究</p><p>　　關鍵詞 鋼結(jié)構(gòu)；設計；穩(wěn)定性；強度；原則； </p><p>　　中圖分類號：TU391文獻標識碼： A </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)工程中需要重點考慮的內(nèi)容之一，現(xiàn)實生活中因鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的工程事故案例

2、也比較多，如美國哈特福特城的體育館平面92m×110m的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，突然于1978年墜落地面，原因是由于壓桿屈曲失穩(wěn);1988年我國也曾經(jīng)發(fā)生13.2m×18.0m鋼網(wǎng)架因腹桿穩(wěn)定不足在施工過程中塌落的事故；2010年1月3日下午，昆明新機場38m鋼結(jié)構(gòu)橋跨突然垮塌，造成7人死亡、8人重傷、26人輕傷，原因是橋下鋼結(jié)構(gòu)支撐體系突然失穩(wěn)，8m高的橋面隨即垮塌下來。從上述案例可以看出，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的原因通常是其結(jié)構(gòu)設計不

3、合理，存在結(jié)構(gòu)設計缺陷所致，要從根本上杜絕此類事的發(fā)生，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設計是關鍵。 </p><p>　　1、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基本概念分析 </p><p>　　(1)穩(wěn)定與強度的不同之處。 </p><p>　　所謂強度問題，指的是在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下的單個構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)，施加外荷載而引發(fā)的最大應力時，是否突破了建筑材料的極限強度，從這個角度來講，是一個應力問題。穩(wěn)定問題則

4、與之有著很大的區(qū)別，穩(wěn)定問題的重點在于找出結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力與外部荷載間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，主要包括變形開始急劇上升的狀態(tài)，并使自身盡量避免進入該狀態(tài)區(qū)域。由以上的分析可知，穩(wěn)定問題屬于變形問題。 </p><p>　　(2)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的類型。 </p><p>　　第一類鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題也叫做平衡分岔的穩(wěn)定問題，也被稱為分支點失穩(wěn)。例如，完善平板中面受壓時的屈曲以及完善直桿軸心受壓時的屈曲，都可

5、以歸入此類中。第二類鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題也叫做無平衡分岔的穩(wěn)定問題，也被稱為極值點失穩(wěn)。例如，一些材料為建筑鋼材的偏心受壓構(gòu)件，當其塑型發(fā)展到某種程度時，就會失去穩(wěn)定的能力。躍越失穩(wěn)：這種失穩(wěn)類型明顯不同于以上所提及的兩種類型，躍越失穩(wěn)既沒有極值點，也不存在平衡分岔點，而是在穩(wěn)定平衡喪失之后接著進入下一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)。 </p><p>　　2、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設計存在問題分析 </p><p>　　

6、（1） 目前在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中，梁一柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁一柱單元是否能真實反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)還很難說，雖然有學者對梁一柱單元進行過修正，主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應。 </p><p>　?。?）在大跨度結(jié)構(gòu)設計中整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的相互關系也是一個值得探討的問題。目前大跨度結(jié)構(gòu)設計中取一個統(tǒng)一的穩(wěn)定安全系數(shù)，未反映整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的關聯(lián)性。 </p><

7、;p>　?。?）鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性研究中存在許多隨機因素的影響。目前結(jié)構(gòu)隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、隨機荷載輸入這樣一個格局范圍，而在實際工程中，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，會引起結(jié)構(gòu)響應的顯著差異。所以應著眼于考慮隨機參數(shù)的結(jié)構(gòu)極值失穩(wěn)、干擾型屈曲、跳躍型失穩(wěn)問題的研究。結(jié)構(gòu)計算簡圖需與實用計算方法所依據(jù)的簡圖一致。某工程實例中，當設計單層或多層框架結(jié)構(gòu)時,通常不做框架穩(wěn)定分析而只做框架柱的穩(wěn)定計算。采用這種

8、方法計算框架柱穩(wěn)定時用到的柱計算長度系數(shù),應通過框架整體穩(wěn)定分析得出,使柱穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算?！朵摻Y(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB50017-2003)對單層或多層框架給出的柱計算長度系數(shù)采用了5條基本假定,其中包括:“框架中的所有柱子是同時喪失穩(wěn)定的,即各柱同時達到其臨界荷載”,按照這條假定,框架各柱的穩(wěn)定參數(shù)、桿件穩(wěn)定計算的常用方法,是依據(jù)一定的簡化假設或者典型情況得出的,設計者需確認所設計的結(jié)構(gòu)符合這些假設時才能正確應用。 </

9、p><p>　　3、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設計遵循的原則 </p><p>　　根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設計中的穩(wěn)定性問題，在實際設計時，為了使鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設計中構(gòu)件不發(fā)生失穩(wěn)，以下的三項原則是必須遵守的。 </p><p>　　(1)鋼結(jié)構(gòu)的整體設計必須兼顧各個組成部分以及整個體系對于穩(wěn)定性的特定要求。當前，我國大部分鋼結(jié)構(gòu)設計都是以平面體系為出發(fā)點，例如，在桁架設計與框架設計中均是如此。為了使

10、這類平面結(jié)構(gòu)避免發(fā)生平面失穩(wěn)事件，必須從其結(jié)構(gòu)的整體布局作為出發(fā)點，設計有針對性的支撐構(gòu)件。意即：必須保證平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)布置與平面穩(wěn)定計算之間的一致性。例如，塔架由平面桁架組成，就需要在橫隔設置和桿件的穩(wěn)定之間多加注意。 </p><p>　　(2)在進行實用計算時，采取的簡圖必須與結(jié)構(gòu)計算簡圖相符，這也是保證框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算的重要條件。當前，在一些鋼結(jié)構(gòu)設計中，對單層和多層框架結(jié)構(gòu)設計之前，以框架柱的穩(wěn)定

11、計算來替代框架穩(wěn)定分析，這種方式應通過框架整體穩(wěn)定分析得出框架柱穩(wěn)定時用到的柱計算長度系數(shù)，才能最終使框架穩(wěn)定計算等效于柱穩(wěn)定計算。但是隨著具體設計要求的不同，為了在設計時對設計對象進行簡化，一些典型條件的設置是必要的。在GBJl7-88規(guī)范中，針對框架給出的計算長度系數(shù)，有幾條基本的假定條件，比如“框架中所有柱子是同時失去穩(wěn)定的，即各柱同時達到其臨界荷載”。在這個假定之下，在對鋼結(jié)構(gòu)框架進行穩(wěn)定參數(shù)桿件穩(wěn)定計算時，通常會將經(jīng)過了簡化的

12、條件或者典型情況當作依據(jù)。這就需要設計者充分熟悉和了解所設計的鋼結(jié)構(gòu)是否符合簡化標準或者典型條件。因此，在使用各種計算方法時，具體的設計對象與簡化計算的假定前提應該相符。 </p><p>　　(3)必須滿足構(gòu)件的穩(wěn)定計算與設計結(jié)構(gòu)的細部構(gòu)造之間的一致性。在鋼結(jié)構(gòu)的設計中，設計者都應注意使構(gòu)造設計和結(jié)構(gòu)計算互相匹配。對一些節(jié)點的連接，應區(qū)分其傳遞彎矩還是不傳遞彎矩，從而有針對性的賦予其它足夠的剛度和柔度，在桁架節(jié)

13、點的設計中，應在減少桿件偏心上做足功夫，這些都屬于對構(gòu)造細部的設計和處理，也是設計者應經(jīng)?？紤]到的。但是具體到鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能時，具體的構(gòu)造對于不同于強度的要求也有所不同，這些情況也要加以綜合考慮。 </p><p>　　4、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法 </p><p>　　鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的分析都是針對在外荷載作用下結(jié)構(gòu)存在變形的條件下進行的，此變形應該與所研究的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)時出現(xiàn)的變形相對

14、應。結(jié)構(gòu)變形與荷載之間呈非線性關系，穩(wěn)定計算是非線性幾何問題，采用的是二階分析方法。穩(wěn)定計算所確定的不管是屈曲荷載還是極限荷載，均可視為所計算的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。 </p><p><b>　　4．1靜力法 </b></p><p>　　靜力法即靜力平衡法，是根據(jù)已發(fā)生了微小變形后結(jié)構(gòu)的受力條件建立平衡微分方程，然后解出臨界荷載。在建立平衡微分方程時遵循如下基本

15、假定： </p><p>　　1)構(gòu)件是等截面直桿。 </p><p>　　2)壓力始終沿構(gòu)件原來軸線作用。 </p><p>　　3)材料符合胡克定律，即應力與應變成線性關系。 </p><p>　　4)構(gòu)件符合平截面假定，即構(gòu)件變形前的平截面在變形后仍為平截面。 </p><p>　　5)構(gòu)件的彎曲變形是微小的，

16、曲率可以近似地用撓度函數(shù)的二階導數(shù)表示。根據(jù)以上假定條件可建立平衡微分方程，代人相應的邊界條件，即可解得兩端鉸支的軸壓構(gòu)件的臨界荷載。 </p><p><b>　　4．2能量法 </b></p><p>　　能量法是求解穩(wěn)定承載力的一種近似方法，通過能量守恒原理和勢能駐值原理求解臨界荷載。 </p><p>　　1)能量守恒原理求解臨界荷載

17、保守體系處在平衡狀態(tài)時，貯存在結(jié)構(gòu)體系中的應變能等于外力所做的功，即能量守恒原理。 </p><p>　　2)勢能駐值原理求解臨界荷載。勢能駐值原理指：受外力作用的結(jié)構(gòu)，當位移有微小變化而總勢能不變， 即總勢能有駐值時，結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)。 </p><p><b>　　4．3動力法 </b></p><p>　　處于平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系， 如果施

18、加微小干擾使其發(fā)生振動，這時結(jié)構(gòu)的變形和振動加速度都和已經(jīng)作用在結(jié)構(gòu)上的荷載有關。當荷載小于穩(wěn)定的極限荷載值時，加速度和變形的方向相反，所以干擾撤去后，運動趨于靜止，結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的：當荷載大于穩(wěn)定的極限荷載值時， 加速度和變形的方向相同， 即使撤去干擾， 運動仍是發(fā)散的，因此結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。臨界狀態(tài)的荷載即為結(jié)構(gòu)的屈曲荷載，可由結(jié)構(gòu)的振動頻率為零的條件解得。 </p><p><b>

19、　　結(jié)束語 </b></p><p>　　鋼結(jié)構(gòu)在整個設計過程中都應該強調(diào)“概念設計”，只有熟練掌握穩(wěn)定性相關的概念，才能熟知設計中薄弱環(huán)節(jié)，正確分析和設計。隨著鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對設計者的要求也越來越高，及時了解鋼結(jié)構(gòu)設計中出現(xiàn)的新問題，有助于提高設計的質(zhì)量?？傊?，只有深入了解鋼結(jié)構(gòu)設計的相關知識和相關問題才能使鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論設計不斷完善。 </p><p><b>