鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的穩(wěn)定性分析

代東亮 劉銀偉

【摘要】近幾年隨著建筑物越來越向著大跨度、大空間方向發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已不能完全滿足建筑結(jié)構(gòu)的多樣化，鋼結(jié)構(gòu)彌補了混凝土結(jié)構(gòu)的種種不足之處，且受到廣泛的重視。而鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的事故時有發(fā)生，為了更好地保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中構(gòu)件不失穩(wěn)定，保證工程質(zhì)量及使用安全，有必要對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計進行詳細(xì)探討。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性；設(shè)計

前言

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展以及建筑水平的不斷提高，出現(xiàn)了大量的高層建筑物或構(gòu)筑物，這些建筑結(jié)構(gòu)中廣泛的運用了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有截面輪廓尺寸小、強度高、自重輕等特點。但對于因受壓、受彎和受剪等存在受壓區(qū)的構(gòu)件或板件，如果技術(shù)上處理不當(dāng)，可能使鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)，一旦出現(xiàn)失穩(wěn)事故將造成巨大的損失。因此，穩(wěn)定問題是鋼結(jié)構(gòu)的突出問題，分析鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的穩(wěn)定性問題，研究鋼結(jié)構(gòu)的加固方法十分必要。

一、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相關(guān)概念

1.強度與穩(wěn)定的區(qū)別

強度問題是指結(jié)構(gòu)或者單個構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起地最大應(yīng)力（或內(nèi)力）是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應(yīng)力問題。極限強度的取值取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料，可取它的最大強度，對鋼材則常取它的屈服點。穩(wěn)定問題則與強度問題不同，它主要是找出外荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長的狀態(tài)，從而設(shè)法避免進入該狀態(tài)，因此，它是一個變形問題。如軸壓柱，由于失穩(wěn)，側(cè)向撓度使柱中增加數(shù)量很大的彎矩，因而柱子的破壞荷載可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它的軸壓強度。顯然，軸壓強度不是柱子破壞的主要原因。

2.鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類

鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)是多種多樣的，按其平衡狀態(tài)，可以分為以下三類：

（1）第一類穩(wěn)定問題或平衡分岔失穩(wěn)。完善的軸心受壓構(gòu)件和完善的在中面內(nèi)受壓的平板的失穩(wěn)、理想的受彎構(gòu)件及受壓的圓柱殼等的失穩(wěn)都屬于這一類；（2）第二類穩(wěn)定問題或極值點失穩(wěn)。非理想軸壓或壓彎構(gòu)件塑性發(fā)展到一定程度時發(fā)生失穩(wěn)，屬于這一類；（3）躍越失穩(wěn)是一種不同于以上兩種類型，它既無分支點，又無極值點，它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

3.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計特

（1）穩(wěn)定性整體分析：桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到結(jié)構(gòu)的整體。穩(wěn)定分析必須從整體著眼；（2）穩(wěn)定計算的其它特點：在彈性穩(wěn)定計算中，除了需要考慮結(jié)構(gòu)的整體性外，還有一些其他特點需要引起重視，首先要做的就是二階分析，這種分析對柔性構(gòu)件尤為重要，這是因為柔性構(gòu)件的大變形量對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生了不能忽視的影響；其次，普遍用于應(yīng)力問題的迭加原理，在彈性穩(wěn)定計算中不能應(yīng)用；（3）失穩(wěn)和整體剛度：現(xiàn)行規(guī)范通用的軸心壓桿的穩(wěn)定計算法是臨界壓力求解法和折減系數(shù)法。了解了一些在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該明確的一些基本概念，有助于我們在設(shè)計中更好地處理穩(wěn)定方面的問題，隨著新型鋼結(jié)構(gòu)體系地不斷發(fā)展，我們對穩(wěn)定問題的研究要求也不斷地提高，之所以在設(shè)計中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，另一個重要原因就是我們對新型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定知之甚少，也就是目前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究中存在的問題。

二、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計應(yīng)遵循的原則

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的穩(wěn)定性問題，在實際設(shè)計時，為了使鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)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。

1.鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)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(dāng)前，我國大部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計都是以平面體系為出發(fā)點，例如，在桁架設(shè)計與框架設(shè)計中均是如此。為了使這類平面結(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(shè)計有針對性的支撐構(gòu)件。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(shè)置和桿件的穩(wěn)定之間多加注意。

2.實用計算

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(dāng)前，在一些鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對單層和多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，以框架柱的穩(wěn)定計算來替代框架穩(wěn)定分析，這種方式應(yīng)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(shè)計要求的不同，為了在設(shè)計時對設(shè)計對象進行簡化，一些典型條件的設(shè)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)過了簡化的條件或者典型情況當(dāng)作依據(jù)。這就需要設(shè)計者充分熟悉和了解所設(shè)計的鋼結(jié)構(gòu)是否符合簡化標(biāo)準(zhǔn)或者典型條件。因此，在使用各種計算方法時，具體的設(shè)計對象與簡化計算的假定前提應(yīng)該相符。

3.必須滿足構(gòu)件的穩(wěn)定計算與設(shè)計結(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)計中，設(shè)計者都應(yīng)注意使構(gòu)造設(shè)計和結(jié)構(gòu)計算互相匹配。對一些節(jié)點的連接，應(yīng)區(qū)分其傳遞彎矩還是不傳遞彎矩，從而有針對性的賦予其它足夠的剛度和柔度，在桁架節(jié)點的設(shè)計中，應(yīng)在減少桿件偏心上做足功夫，這些都屬于對構(gòu)造細(xì)部的設(shè)計和處理，也是設(shè)計者應(yīng)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。

三、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的分析方法

穩(wěn)定問題的分析方都是針對著外在荷載作用下結(jié)構(gòu)存在變形的條件下進行的，此變形應(yīng)該與所研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)時出現(xiàn)的變形相對應(yīng)。穩(wěn)定問題的分析方法有以下三種：

1.能量法

如果結(jié)構(gòu)承受著保守力，可以根據(jù)有了變形的結(jié)構(gòu)的受力條件建立總得勢能，總的勢能是結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能和外力勢能兩項之和。能量法一般只能獲得屈曲荷載的近似解，此方法用于大撓度理論分析，可以判斷屈曲后的平衡是否穩(wěn)定。

2.平衡法

平衡法即靜力平衡法，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(shè)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(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)和一個發(fā)生細(xì)微屈服的結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)。靜力平衡法是就發(fā)生細(xì)微屈服后結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性，而只需求得結(jié)構(gòu)的屈曲荷載，所以，靜力法在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題的分析和計算中被普遍采用。

3.動力法

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，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(guān)。當(dāng)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(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的；當(dāng)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(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)振動頻率為零的條件解得。

結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、強度高、工業(yè)化程度高等特點，研究分析鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，具有非常重要的意義。對努力提高我國鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題的研究水平，盡量提高建筑工程質(zhì)量，保護國家百姓的財產(chǎn)生命安全，都有著重要的作用。

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