淺談鋼結構設計的穩(wěn)定性

1、<p>　　淺談鋼結構設計的穩(wěn)定性</p><p>　　摘要：鋼結構因具有自重輕，強度高。在建筑工程中，鋼結構應用非常廣泛。如何保證鋼結構設計的穩(wěn)定性，是建筑設計中面臨的重要議題。本文通過對鋼結構的穩(wěn)定性的設計概念，原則、分析方法、問題、經(jīng)驗等等。，結合工程實際談談鋼結構穩(wěn)定性問題及加固方法。 </p><p>　　關鍵詞：鋼結構 穩(wěn)定性 分析方法 </p><

2、;p>　　中圖分類號：TU318文獻標識碼： A </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　鋼結構與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土相比，有著很多優(yōu)勢，因而在建筑工程中發(fā)揮著不可替代的作用。然而，鋼結構的穩(wěn)定性問題也一直困擾著建筑行業(yè)。分析解決鋼結構的穩(wěn)定性問題，成為研究學者們的重要任務。本文并就這些問題進行了一些探討。 </p><

3、p>　　一、鋼結構穩(wěn)定性的概念以及穩(wěn)定與強度的區(qū)別 </p><p>　　鋼結構的穩(wěn)定問題是指結構在外界擾動下能否恢復到初始平衡狀態(tài)。鋼結構失穩(wěn)就是結構或構件從初始平衡位置移至另一平衡位置。鋼結構強度不夠或失穩(wěn)都會造成結構破壞，但是強度與穩(wěn)定的概念并不相同。鋼結構的強度是一個應力問題，指結構或者單個構件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載引起的最大應力(或內(nèi)力)是否超過建筑材料的極限強度。鋼材以其屈服點作為極限強度。而穩(wěn)

4、定是一個變形問題，構件所受外部荷載與結構內(nèi)部抵抗力間是不穩(wěn)定的，關鍵是找出這一不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，避免變形急劇增長而發(fā)生失穩(wěn)破壞。 </p><p>　　二、鋼結構失穩(wěn)的類型 </p><p>　　1．穩(wěn)定分岔失穩(wěn)。按照結構穩(wěn)定性分析理論, 結構在達到臨界狀態(tài)時, 從未屈曲的平衡位形過渡到無限臨近的屈曲平衡位形,即由直桿而出現(xiàn)微彎。此后,變形的進一步增大,要求荷載增加。直桿軸心受壓和平板在中

5、面受壓,都屬于這種情況。板的屈曲后強度比較顯著,在工程設計中往往可以利用。 </p><p>　　2. 不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)。結構屈曲后只能在遠比臨界荷載低的條件下才能維持平衡位形。屬于這種情況的有承受軸向荷載的圓柱殼和承受均勻外布壓力的外球殼, 鋼結構常用的綴條柱和圓柱殼很相似。薄壁型鋼方管壓桿也在一定條件下表現(xiàn)出類似特性。這種屈曲也叫做“有限干擾屈曲”,因為在有限干擾下,在達到分岔屈曲荷載前就可能由未屈曲平衡位形轉

6、到非臨近的屈曲平衡位形。 </p><p>　　3. 極值點失穩(wěn)。極值點失穩(wěn)是指建筑鋼材做成的偏心受壓構件在塑性發(fā)展到一定程度時喪失了穩(wěn)定的能力，發(fā)生失穩(wěn)時的荷載值就是構件的實際極限荷載，這類的平衡狀態(tài)是漸變的，與平衡分岔失穩(wěn)具有本質的區(qū)別。 </p><p>　　4.跨越失穩(wěn)。跨越失穩(wěn)不存在平衡分岔點，也沒有極值點，是失穩(wěn)發(fā)生后又跳躍到另一個穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。 </p>&l

7、t;p>　　三、鋼結構穩(wěn)定性的分析方法 </p><p>　　鋼結構穩(wěn)定問題的分析與計算是基于結構在外荷載作用下產(chǎn)生形變的情況下進行的，涉及到的形變與鋼結構失穩(wěn)時出現(xiàn)的形變一致。鋼結構失穩(wěn)時產(chǎn)生的形變與其所受到的外部荷載的關系是非線性的，因此，穩(wěn)定問題的分析是非線性幾何問題。不管是“屈曲荷載”還是“極限荷載”，通過穩(wěn)定性計算所得出的承載力均可視為結構或構件的穩(wěn)定承載力。鋼結構穩(wěn)定問題的計算方法一般有如下幾種

8、。 </p><p>　　1. 能量法。能量法也稱鐵木辛柯法，是求解穩(wěn)定承載力的一種近似方法，是過能量守恒原理和 勢能駐值原理求解臨界荷載。 </p><p>　　2. 靜力法。靜力法即靜力平衡法，也稱歐拉方法，是計算彈性系統(tǒng)屈曲荷載的常用方法。假設彈性穩(wěn)定體系存在平衡分岔點，那么分岔點周邊存在一個狀態(tài)完好結構的平衡狀態(tài)和一個發(fā)生細微屈服的結構的平衡狀態(tài)。靜力平衡法是就發(fā)生細微屈服后結構的

9、力學狀態(tài)建立分析體系和方程組而求解的方法。若通過靜力平衡法所求得的解多于一個，根據(jù)經(jīng)驗，數(shù)值最小的解才是結構體系的“分岔屈曲荷載”。靜力法的缺陷在于只能求解出系統(tǒng)的屈服荷載，不能確定體系平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性。而在實際的工程計算中，通常我們不需要判斷結構體系平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性，而只需求得結構的屈曲荷載，所以，靜力法在鋼結構穩(wěn)定性問題的分析和計算中被普遍采用。 </p><p>　　3. 動力法。處于平衡狀態(tài)的結構體系,

10、如果施加微小干擾使其發(fā)生振動, 這時結構的變形和振動加速度都和已經(jīng)作用在結構上的荷載有關。當荷載小于穩(wěn)定的極限值時,加速度和變形的方向相反,因此干擾撤去以后,運動趨于靜止,結構的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的;當荷載大于極限值時, 加速度和變形的方向相同,即使將干擾撤去,運動仍是發(fā)散的,因此結構的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的:臨界狀態(tài)的荷載即為結構的屈曲荷載,可由結構振動頻率為零的條件解得。動力法屬于結構動力穩(wěn)定問題。 </p><p>

11、;　　四、鋼結構穩(wěn)定性研究中存在的問題 </p><p>　　目前在網(wǎng)殼結構穩(wěn)定性的研究中,梁- 柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁- 柱單元是否能真實反映網(wǎng)殼結構的受力狀態(tài)還很難說,雖然有學者對梁- 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。在大跨度結構設計中整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的相互關系也是一個值得探討的問題,目前大跨度結構設計中取一個統(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。預

12、張拉結構體系的穩(wěn)定設計理論還很不完善,目前還沒有一個完整合理的理論體系來分析預張拉結構體系的穩(wěn)定性。鋼結構體系的穩(wěn)定性研究中存在許多隨機因素的影響,目前結構隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結構參數(shù)、隨機荷載輸入這樣一個格局范圍,而在實際工程中,由于結構參數(shù)的不確定性,會引起結構響應的顯著差異。所以應著眼于考慮隨機參數(shù)的結構極值失穩(wěn)、干擾型屈曲、跳躍型失穩(wěn)問題的研究。 </p><p>　　五、鋼結構加固

13、方法 </p><p>　　鋼結構加固的主要方法有:減輕荷載、改變結構計算圖形、加大原結構構件截面和連接強度、阻止裂紋擴展等。當有成熟經(jīng)驗時,亦可采用其它加固方法。 </p><p>　　1．改變結構計算圖形。改變結構計算圖形的加固方法是指采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點性質和邊界條件,增設附加桿件和支撐、施加預應力、考慮空間協(xié)同工作等措施對結構進行加固的方法：（1）對結構可采用下列增

14、加結構或構件的剛度的方法進行加固:（2）增加支撐形成空間結構并按空間結構驗算;加設支撐增加結構剛度,或者調整結構的自振頻率等以提高結構承載力和改善結構動力特性；（3）增設支撐或輔助桿件使結構的長細比減少以提高其穩(wěn)定性；（4）在排架結構中重點加強某一列柱的剛度,使之承受大部分水平力,以減輕其它柱列負荷；（5）在塔架等結構中設置拉桿或適度張緊的拉索以加強結構的剛度。 </p><p>　　2. 對受彎桿件可采用下列改

15、變其截面內(nèi)力的方法進行加固。（1）改變荷載的分布,例如將一個集中荷載轉化為多個集中荷載；（2）改變端部支承情況,例如變鉸接為剛結；（3）增加中間支座或將簡支結構端部連接成為連續(xù)結構；（4）調整連續(xù)結構的支座位置；（5）將結構變?yōu)閾螚U式結構；（6）施加預應力。 </p><p>　　3．對桁架可采取下列改變其桿件內(nèi)力的方法進行加固。（1）增設撐桿變桁架為撐桿式結構；（2）加設預應力拉桿。 </p>&

16、lt;p>　　4.加大構件截面的加固。采用加大截面加固鋼構件時,所選截面形式應有利于加固技術要求并考慮已有缺陷和損傷的狀況。 </p><p>　　5.連接的加固與加固件的連接。鋼結構連接方法,即焊縫、鉚釘、普通螺栓和高強度螺栓連接方法的選擇,應根據(jù)結構需要加固的原因、目的、受力狀況、構造及施工條件,并考慮結構原有的連接方法確定。鋼結構加固一般宜采用焊縫連接、摩擦型高強度螺栓連接,有依據(jù)時亦可采用焊縫和摩擦

17、型高強度螺栓的混合連接。當采用焊縫連接時,應采用經(jīng)評定認可的焊接工藝及連接材料。 </p><p><b>　　結束語 </b></p><p>　　鋼結構具有自重輕、強度高、工業(yè)化程度高等特點，研究分析鋼結構的穩(wěn)定性問題，具有非常重大的意義。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p>&l

18、t;p>　　[1] 郭志先. 淺談鋼結構設計步驟及思路與磚混結構設計[J]. 科技創(chuàng)新導報, 2008,(13) </p><p>　　[2] 鄭金泰. 探究鋼結構穩(wěn)定性設計[J]. 科技創(chuàng)新導報, 2008,(29) </p><p>　　[3] 肖保華. 鋼結構穩(wěn)定設計探討[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè), 2010,(19) </p><p>　　[4] 麻志紅.