摘　要:鋼結(jié)構(gòu)因具有自重輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn),在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用,另一方面,因其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失的事故案例也常有耳聞,而失穩(wěn)破壞的原因通常是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷所致。論文通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的概念、原則及分析方法的總結(jié),結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐談?wù)剬?duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的體會(huì)。　

　關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu);穩(wěn)定性設(shè)計(jì);細(xì)部構(gòu)造　

　穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容之一,現(xiàn)實(shí)生活中因鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的工程事故案例也較多,如美國(guó)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(guó)也曾發(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(jī)場(chǎng)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(shè)計(jì)不合理,存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷所致,要從根本上杜絕此類事故的發(fā)生,鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

1　鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的概念

1·1　強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)別強(qiáng)度是指結(jié)構(gòu)或者單個(gè)構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起的最大應(yīng)力(或內(nèi)力)是否超過建筑材料的極限強(qiáng)度,因此它是一個(gè)應(yīng)力問題。極限強(qiáng)度的取值因材料的特性不同而異,對(duì)鋼材是取它的屈服點(diǎn)。穩(wěn)定主要是找出外部荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間不穩(wěn)定的平衡狀態(tài),即變形開始急劇增長(zhǎng)而需設(shè)法避免進(jìn)入的狀態(tài),因此它是一個(gè)變形問題。例如軸壓柱,當(dāng)失穩(wěn)時(shí)柱的側(cè)向撓度使柱中增加很大的附加彎矩,從而柱子的破壞荷載可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它的軸壓強(qiáng)度,此時(shí),失穩(wěn)是柱子破壞的主要原因。

1·2　鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類1)有平衡分岔的穩(wěn)定問題(分支點(diǎn)失穩(wěn))。完善直桿軸心受壓時(shí)的屈曲和平板中面受壓時(shí)的屈曲均屬于這一類。2)無平衡分岔的穩(wěn)定問題(極值點(diǎn)失穩(wěn))。由建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件,在塑性發(fā)展到一定程度時(shí)喪失穩(wěn)定的能力,屬于這一類。3)跳躍失穩(wěn)是一種不同于以上兩種類型的穩(wěn)定問題,它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另一個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

2　鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的原則

2·1　鋼結(jié)構(gòu)布置必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求目前鋼結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計(jì)的,如桁架和框架。保證這些平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面外失穩(wěn),需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決,如增加必要的支撐構(gòu)件等。要求平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定計(jì)算需與結(jié)構(gòu)布置相一致。

2·2　結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖需與實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖一致當(dāng)設(shè)計(jì)單層或多層框架結(jié)構(gòu)時(shí),通常不做框架穩(wěn)定分析而只做框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。采用這種方法計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù),應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出,使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)對(duì)單層或多層框架給出的柱計(jì)算長(zhǎng)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(shí)喪失穩(wěn)定的,即各柱同時(shí)達(dá)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(jì)算的常用方法,是依據(jù)一定的簡(jiǎn)化假設(shè)或者典型情況得出的,設(shè)計(jì)者需確認(rèn)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時(shí)才能正確應(yīng)用。

2·3　鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)與構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)一致保證鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)與構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算相符合,是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要高度注意的問題。對(duì)要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接,應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度,對(duì)桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少桿件偏心。但是,當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時(shí),構(gòu)造上時(shí)常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。例如,簡(jiǎn)支梁就抗彎強(qiáng)度來說,對(duì)不動(dòng)鉸支座的要求僅僅是阻止位移,同時(shí)允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。然而在解決梁整體穩(wěn)定時(shí)上述要求就不夠了,支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn),同時(shí)允許梁在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)和梁端截面自由翹曲,以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。

3　鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的分析都是針對(duì)在外荷載作用下結(jié)構(gòu)存在變形的條件下進(jìn)行的,此變形應(yīng)該與所研究的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)出現(xiàn)的變形相對(duì)應(yīng)。結(jié)構(gòu)變形與荷載之間呈非線性關(guān)系,穩(wěn)定計(jì)算屬于非線性幾何問題,采用的是二階分析方法。穩(wěn)定計(jì)算所確定的不論是屈曲荷載還是極限荷載,都可視為所計(jì)算的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。

3·1　靜力法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(shí)遵循如下基本假定:1)構(gòu)件是等截面直桿。2)壓力始終沿構(gòu)件原來軸線作用。3)材料符合胡克定律,即應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系。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。5)構(gòu)件的彎曲變形是微小的,曲率可以近似地用撓度函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)表示。根據(jù)以上假定條件可建立平衡微分方程,代入相應(yīng)的邊界條件,即可解得兩端鉸支的軸壓構(gòu)件的臨界荷載。

3·2　能量法能量法是求解穩(wěn)定承載力的一種近似方法,通過能量守恒原理和勢(shì)能駐值原理求解臨界荷載。1)能量守恒原理求解臨界荷載。保守體系處在平衡狀態(tài)時(shí),貯存在結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)變能等于外力所做的功,即能量守恒原理。其臨界狀態(tài)的能量關(guān)系為:ΔU =ΔW式中　ΔU———指應(yīng)變能的增量;　ΔW———指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。2)勢(shì)能駐值原理求解臨界荷載。勢(shì)能駐值原理指:受外力作用的結(jié)構(gòu),當(dāng)位移有微小變化而總勢(shì)能不變,即總勢(shì)能有駐值時(shí),結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)。表達(dá)式為:dΠ=dU-dW=0式中　dU———指虛位移引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變能的變化,它總是正值;　dW———指外力在虛位移上作的功。

3·3　動(dòng)力法處于平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系,如果施加微小干擾使其發(fā)生振動(dòng),這時(shí)結(jié)構(gòu)的變形和振動(dòng)加速度都和已經(jīng)作用在結(jié)構(gòu)上的荷載有關(guān)。當(dāng)荷載小于穩(wěn)定的極限荷載值時(shí),加速度和變形的方向相反,因此干擾撤去后,運(yùn)動(dòng)趨于靜止,結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的;當(dāng)荷載大于穩(wěn)定的極限荷載值時(shí),加速度和變形的方向相同,即使撤去干擾,運(yùn)動(dòng)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(dòng)頻率為零的條件解得。

4　鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)體會(huì)1)目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多借助鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算,結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面內(nèi)強(qiáng)度及整體穩(wěn)定計(jì)算可依靠程序自動(dòng)完成,結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面外強(qiáng)度及穩(wěn)定計(jì)算,需要設(shè)計(jì)者另做分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)。此時(shí)可將整個(gè)結(jié)構(gòu)按標(biāo)高分解成多個(gè)不同布置形式的結(jié)構(gòu)體系,在不同的水平荷載作用下,進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算。2)受彎鋼構(gòu)件的板件局部穩(wěn)定有兩種方式:一是以屈曲為承載能力的極限狀態(tài),并通過對(duì)板件寬厚比的限制,使之不在構(gòu)件整體失效前屈曲;二是允許板件在構(gòu)件整體失效前屈曲,并利用其屈曲后強(qiáng)度,構(gòu)件的承載能力由局部屈曲后的有效截面確定。對(duì)于不考慮屈曲后強(qiáng)度的梁局部穩(wěn)定,可對(duì)梁設(shè)置橫向或縱向加勁肋,以解決梁的局部穩(wěn)定問題,加勁肋按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017 -2003)規(guī)定設(shè)置;對(duì)于組合梁腹板考慮屈曲后強(qiáng)度的計(jì)算按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)第4·4規(guī)定執(zhí)行。3)軸心受壓構(gòu)件和壓彎構(gòu)件局部穩(wěn)定有兩種方式:一是控制翼緣板自由外伸寬度與其厚度之比;二是控制腹板計(jì)算高度與其厚度之比。對(duì)于圓管截面的受壓構(gòu)件,應(yīng)控制外徑與壁厚之比,加勁肋按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2003)第5·4規(guī)定設(shè)置。

5　結(jié)　語

鋼結(jié)構(gòu)因具有自重輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn),在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用,相信通過加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定以及平面外穩(wěn)定的設(shè)計(jì),克服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷,其應(yīng)用的領(lǐng)域會(huì)越來越廣泛。

參考文獻(xiàn):

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