鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)研究

1、<p>　　鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)研究</p><p>　　關(guān)鍵詞 鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；穩(wěn)定性；強(qiáng)度；原則； </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TU391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(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

2、也比較多，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(guò)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(lái)。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

3、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(lèi)事的發(fā)生，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是關(guān)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(qiáng)度的不同之處。 </p><p>　　所謂強(qiáng)度問(wèn)題，指的是在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下的單個(gè)構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)，施加外荷載而引發(fā)的最大應(yīng)力時(shí)，是否突破了建筑材料的極限強(qiáng)度，從這個(gè)角度來(lái)講，是一個(gè)應(yīng)力問(wèn)題。穩(wěn)定問(wèn)題則

4、與之有著很大的區(qū)別，穩(wěn)定問(wèn)題的重點(diǎn)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(kāi)始急劇上升的狀態(tài)，并使自身盡量避免進(jìn)入該狀態(tài)區(qū)域。由以上的分析可知，穩(wěn)定問(wèn)題屬于變形問(wèn)題。 </p><p>　　(2)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的類(lèi)型。 </p><p>　　第一類(lèi)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題也叫做平衡分岔的穩(wěn)定問(wèn)題，也被稱(chēng)為分支點(diǎn)失穩(wěn)。例如，完善平板中面受壓時(shí)的屈曲以及完善直桿軸心受壓時(shí)的屈曲，都可

5、以歸入此類(lèi)中。第二類(lèi)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題也叫做無(wú)平衡分岔的穩(wěn)定問(wèn)題，也被稱(chēng)為極值點(diǎn)失穩(wěn)。例如，一些材料為建筑鋼材的偏心受壓構(gòu)件，當(dāng)其塑型發(fā)展到某種程度時(shí)，就會(huì)失去穩(wěn)定的能力。躍越失穩(wěn)：這種失穩(wěn)類(lèi)型明顯不同于以上所提及的兩種類(lèi)型，躍越失穩(wěn)既沒(méi)有極值點(diǎn)，也不存在平衡分岔點(diǎn)，而是在穩(wěn)定平衡喪失之后接著進(jìn)入下一個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。 </p><p>　　2、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)存在問(wèn)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(shí)反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)還很難說(shuō)，雖然有學(xué)者對(duì)梁一柱單元進(jìn)行過(guò)修正，主要問(wèn)題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應(yīng)。 </p><p>　　（2）在大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的相互關(guān)系也是一個(gè)值得探討的問(wèn)題。目前大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中取一個(gè)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(guān)聯(lián)性。 </p><

7、;p>　　（3）鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性研究中存在許多隨機(jī)因素的影響。目前結(jié)構(gòu)隨機(jī)影響分析所處理的問(wèn)題大部分局限于確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、隨機(jī)荷載輸入這樣一個(gè)格局范圍，而在實(shí)際工程中，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，會(huì)引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著差異。所以應(yīng)著眼于考慮隨機(jī)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(wèn)題的研究。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。某工程實(shí)例中，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

8、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(guò)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?！朵摻Y(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。 </

9、p><p>　　3、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)遵循的原則 </p><p>　　根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性問(wèn)題，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為了使鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中構(gòu)件不發(fā)生失穩(wěn)，以下的三項(xiàng)原則是必須遵守的。 </p><p>　　(1)鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)必須兼顧各個(gè)組成部分以及整個(gè)體系對(duì)于穩(wěn)定性的特定要求。當(dāng)前，我國(guó)大部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是以平面體系為出發(fā)點(diǎn)，例如，在桁架設(shè)計(jì)與框架設(shè)計(jì)中均是如此。為了使

10、這類(lèi)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(diǎn)，設(shè)計(jì)有針對(duì)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(jì)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(shè)置和桿件的穩(wěn)定之間多加注意。 </p><p>　　(2)在進(jìn)行實(shí)用計(jì)算時(shí)，采取的簡(jiǎn)圖必須與結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖相符，這也是保證框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算的重要條件。當(dāng)前，在一些鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，以框架柱的穩(wěn)定

11、計(jì)算來(lái)替代框架穩(wěn)定分析，這種方式應(yīng)通過(guò)框架整體穩(wěn)定分析得出框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，才能最終使框架穩(wěn)定計(jì)算等效于柱穩(wěn)定計(jì)算。但是隨著具體設(shè)計(jì)要求的不同，為了在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化，一些典型條件的設(shè)置是必要的。在GBJl7-88規(guī)范中，針對(duì)框架給出的計(jì)算長(zhǎng)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(shí)失去穩(wěn)定的，即各柱同時(shí)達(dá)到其臨界荷載”。在這個(gè)假定之下，在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行穩(wěn)定參數(shù)桿件穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，通常會(huì)將經(jīng)過(guò)了簡(jiǎn)化的

12、條件或者典型情況當(dāng)作依據(jù)。這就需要設(shè)計(jì)者充分熟悉和了解所設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)是否符合簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)或者典型條件。因此，在使用各種計(jì)算方法時(shí)，具體的設(shè)計(jì)對(duì)象與簡(jiǎn)化計(jì)算的假定前提應(yīng)該相符。 </p><p>　　(3)必須滿(mǎn)足構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造之間的一致性。在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者都應(yīng)注意使構(gòu)造設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)計(jì)算互相匹配。對(duì)一些節(jié)點(diǎn)的連接，應(yīng)區(qū)分其傳遞彎矩還是不傳遞彎矩，從而有針對(duì)性的賦予其它足夠的剛度和柔度，在桁架節(jié)

13、點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)在減少桿件偏心上做足功夫，這些都屬于對(duì)構(gòu)造細(xì)部的設(shè)計(jì)和處理，也是設(shè)計(jì)者應(yīng)經(jīng)常考慮到的。但是具體到鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能時(shí)，具體的構(gòu)造對(duì)于不同于強(qiáng)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(wèn)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)

14、應(yīng)。結(jié)構(gòu)變形與荷載之間呈非線(xiàn)性關(guān)系，穩(wěn)定計(jì)算是非線(xiàn)性幾何問(wèn)題，采用的是二階分析方法。穩(wěn)定計(jì)算所確定的不管是屈曲荷載還是極限荷載，均可視為所計(jì)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(shí)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(lái)軸線(xiàn)作用。 </p><p>　　3)材料符合胡克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成線(xiàn)性關(guān)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(dǎo)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(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。 </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(guò)能量守恒原理和勢(shì)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(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。 </p><p>　　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)。 </p><p><b>　　4．3動(dòng)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(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，所以干擾撤去后，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。 </p><p><b>

19、　　結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　鋼結(jié)構(gòu)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中都應(yīng)該強(qiáng)調(diào)“概念設(shè)計(jì)”，只有熟練掌握穩(wěn)定性相關(guān)的概念，才能熟知設(shè)計(jì)中薄弱環(huán)節(jié)，正確分析和設(shè)計(jì)。隨著鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，對(duì)設(shè)計(jì)者的要求也越來(lái)越高，及時(shí)了解鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的新問(wèn)題，有助于提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量?？傊?，只有深入了解鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)和相關(guān)問(wèn)題才能使鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論設(shè)計(jì)不斷完善。 </p><p><b>