浅谈钢结构稳定性设计
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作者: 刘恒 倪昌虎 张静
摘要：钢结构因具有自重轻、强度高、工业化程度高等优点,在建筑工程中得到了广泛的应用,另一方面,因其结构失稳破坏造成的人员伤亡、财产损失的事故案例也常有耳闻,而失稳破坏的原因通常是结构设计缺陷所致。论文通过对钢结构稳定性设计的概念、原则及分析方法的总结,结合工程设计实践谈谈对钢结构稳定性设计的体会。
关键词：钢结构稳定性设计细部构造
稳定性是钢结构工程设计中需要重点考虑的内容之一,现实生活中因钢结构失稳造成的工程事故案例也较多,如美国哈特福特城的体育馆平面92m×110m的网架结构,突然于1978年坠落地面,原因是由于压杆屈曲失稳; 1988年我国也曾发生13・2m×18・0m钢网架因腹杆稳定不足在施工过程中塌落的事故; 2010年1月3日下午,昆明新机场38m钢结构桥跨突然垮塌,造成7人死亡、8人重伤、26人轻伤,原因是桥下钢结构支撑体系突然失稳, 8m高的桥面随即垮塌下来。从上述案例可以看出,钢结构失稳破坏的原因通常是其结构设计不合理,存在结构设计缺陷所致,要从根本上杜绝此类事故的发生,钢结构稳定性设计是关键。
1、钢结构稳定性设计的概念
1.1强度与稳定的区别强度是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力(或内力)是否超过建筑材料的极限强度,因此它是一个应力问题。极限强度的取值因材料的特性不同而异,对钢材是取它的屈服点。稳定主要是找出外部荷载与结构内部抵抗力间不稳定的平衡状态,即变形开始急剧增长而需设法避免进入的状态,因此它是一个变形问题。例如轴压柱,当失稳时柱的侧向挠度使柱中增加很大的附加弯矩,从而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度,此时,失稳是柱子破坏的主要原因。
1.2钢结构失稳的分类1)有平衡分岔的稳定问题(分支点失稳)。完善直杆轴心受压时的屈曲和平板中面受压时的屈曲均属于这一类。2)无平衡分岔的稳定问题(极值点失稳)。由建筑钢材做成的偏心受压构件,在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力,属于这一类。3)跳跃失稳是一种不同于以上两种类型的稳定问题,它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。
2、钢结构稳定性设计的原则
2.1钢结构布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求目前钢结构大多数是按照平面体系来设计的,如桁架和框架。保证这些平面结构不出现平面外失稳,需要从结构整体布置来解决,如增加必要的支撑构件等。要求平面结构构件的平面稳定计算需与结构布置相一致。
2.2结构计算简图需与实用计算方法所依据的简图一致当设计单层或多层框架结构时,通常不做框架稳定分析而只做框架柱的稳定计算。采用这种方法计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数,应通过框架整体稳定分析得出,使柱稳定计算等效于框架稳定计算。《钢结构设计规范》(GB50017-2003)对单层或多层框架给出的柱计算长度系数采用了5条基本假定,其中包括:“框架中的所有柱子是同时丧失稳定的,即各柱同时达到其临界荷载”,按照这条假定,框架各柱的稳定参数、杆件稳定计算的常用方法,是依据一定的简化假设或者典型情况得出的,设计者需确认所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。
2.3钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算应一致保证钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算相符合,是钢结构设计中需要高度注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接,应分别赋与它足够的刚度和柔度,对桁架节点应尽量减少杆件偏心。但是,当涉及稳定性能时,构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如,简支梁就抗弯强度来说,对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移,同时允许在平面内转动。然而在解决梁整体稳定时上述要求就不够了,支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转,同时允许梁在平面内转动和梁端截面自由翘曲,以符合稳定分析所采取的边界条件。
3、钢结构稳定性的分析方法
钢结构稳定问题的分析都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的,此变形应该与所研究的结构或构件失稳时出现的变形相对应。结构变形与荷载之间呈非线性关系,稳定计算属于非线性几何问题,采用的是二阶分析方法。稳定计算所确定的不论是屈曲荷载还是极限荷载,都可视为所计算的结构或构件的稳定承载力。
3.1静力法静力法即静力平衡法,是根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程,然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定:1)构件是等截面直杆。2)压力始终沿构件原来轴线作用。3)材料符合胡克定律,即应力与应变成线性关系。4)构件符合平截面假定,即构件变形前的平截面在变形后仍为平截面。5)构件的弯曲变形是微小的,曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。根据以上假定条件可建立平衡微分方程,代入相应的边界条件,即可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。
3.2能量法能量法是求解稳定承载力的一种近似方法,通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。1)能量守恒原理求解临界荷载。保守体系处在平衡状态时,贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功,即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为:ΔU =ΔW式中ΔU――指应变能的增量;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)势能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指:受外力作用的结构,当位移有微小变化而总势能不变,即总势能有驻值时,结构处于平衡状态。表达式为:dΠ=dU-dW =0式中dU――指虚位移引起的结构内应变能的变化,它总是正值;dW――指外力在虚位移上作的功。
3.3动力法处于平衡状态的结构体系,如果施加微小干扰使其发生振动,这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时,加速度和变形的方向相反,因此干扰撤去后,运动趋于静止,结构的平衡状态是稳定的;当荷载大于稳定的极限荷载值时,加速度和变形的方向相同,即使撤去干扰,运动仍是发散的,因此结构的平衡状态是不稳定的。临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载,可由结构的振动频率为零的条件解得。
4、钢结构稳定性设计的几点体会
（1)目前钢结构设计多借助钢结构计算机软件进行结构受力计算,结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可依靠程序自动完成,结构和构件的平面外强度及稳定计算,需要设计者另做分析、计算和设计。此时可将整个结构按标高分解成多个不同布置形式的结构体系,在不同的水平荷载作用下,进行结构体系的强度和稳定计算。（2)受弯钢构件的板件局部稳定有两种方式:一是以屈曲为承载能力的极限状态,并通过对板件宽厚比的限制,使之不在构件整体失效前屈曲;二是允许板件在构件整体失效前屈曲,并利用其屈曲后强度,构件的承载能力由局部屈曲后的有效截面确定。对于不考虑屈曲后强度的梁局部稳定,可对梁设置横向或纵向加劲肋,以解决梁的局部稳定问题,加劲肋按《钢结构设计规范》(GB50017 -2003)规定设置;对于组合梁腹板考虑屈曲后强度的计算按《钢结构设计规范》(GB50017-2003)第4・4规定执行。（3)轴心受压构件和压弯构件局部稳定有两种方式:一是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比;二是控制腹板计算高度与其厚度之比。对于圆管截面的受压构件,应控制外径与壁厚之比,加劲肋按《钢结构设计规范》(GB50017-2003)第5・4规定设置。
5、结语
钢结构因具有自重轻、强度高、工业化程度高等优点,在建筑工程中得到了广泛的应用,相信通过加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计,克服结构设计缺陷,其应用的领域会越来越广泛。
参考文献:
[1]GB50017-2003,钢结构设计规范[S].
[2]陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004.
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