鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的探討

曹金麗

摘要：穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)突出問題。在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，都會(huì)遇到穩(wěn)定問題。對(duì)于這個(gè)問題處理不好，將會(huì)造成不應(yīng)有的損失。本文探討了鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);穩(wěn)定;設(shè)計(jì)

前 ?言

鋼結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定問題是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中以待解決的主要問題，一旦出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故，不但對(duì)經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損失，而且會(huì)造成人員的傷亡，所以我們?cè)阡摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一定要把握好這一關(guān)。鋼結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定問題是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中以待解決的主要問題，一旦出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故，不但對(duì)經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損失，而且會(huì)造成人員的傷亡，所以我們?cè)阡摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一定要把握好這一關(guān)。

一、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的基本概念

1.強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)別

強(qiáng)度問題是指結(jié)構(gòu)或者單個(gè)構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起地最大應(yīng)力（或內(nèi)力）是否超過建筑材料的極限強(qiáng)度，因此是一個(gè)應(yīng)力問題極限強(qiáng)度的取值取決于材料的特性，對(duì)混凝土等脆性材料，可取它的最大強(qiáng)度，對(duì)鋼材則常取它的屈服點(diǎn)。

穩(wěn)定問題則與強(qiáng)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(zhǎng)的狀態(tài)，從而設(shè)法避免進(jìn)入該狀態(tài)，因此，它是一個(gè)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(qiáng)度顯然，軸壓強(qiáng)度不是柱子破壞的主要原因。

2.鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類

2.1第一類穩(wěn)定問題或者具有平衡分岔的穩(wěn)定問題（也叫分支點(diǎn)失穩(wěn)），完善直桿軸心受壓時(shí)的屈曲和完善平板中面受壓時(shí)的屈曲都屬于這一類。

2.2第二類穩(wěn)定問題或無平衡分岔的穩(wěn)定問題（也叫極值點(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。

2.3躍越失穩(wěn)是一種不同于以上兩種類型，它既無平衡分岔點(diǎn)，又無極值點(diǎn)，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)區(qū)分結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型的性質(zhì)十分重要，這樣才有可能正確估量結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。隨著穩(wěn)定問題研究的逐步深入，上述分類看起來已經(jīng)不夠了設(shè)計(jì)為軸心受壓的構(gòu)件，實(shí)際上總不免有一點(diǎn)初彎曲，荷載的作用點(diǎn)也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構(gòu)件的性能，就必須了解缺陷對(duì)它的影響，其他構(gòu)件也都有個(gè)缺陷影響問題。另一方面就是深入對(duì)構(gòu)件屈曲后性能的研究。

3.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)原則

3.1結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系以及各組成部分的穩(wěn)定性要求。目前，結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計(jì)的，如桁架、框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來考慮，即必須設(shè)置必要的支撐構(gòu)件。也就是說，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面內(nèi)和平面外的穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。

3.2結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖相一致。目前設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常不進(jìn)行框架穩(wěn)定分析而是代之以框架柱穩(wěn)定計(jì)算。在采用這種方法時(shí)，計(jì)算框架穩(wěn)定時(shí)用到的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，這樣才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算。然而，實(shí)際框架多種多樣，而設(shè)計(jì)中為了簡(jiǎn)化計(jì)算工作，需要設(shè)定一些條件?？蚣芨髦姆€(wěn)定參數(shù)及桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用方法，往往是依據(jù)一定的簡(jiǎn)化假設(shè)或者典型情況得出的，設(shè)計(jì)者必須明確所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時(shí)才能正確應(yīng)用。

3.3結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合。結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)相符合一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大家都十分關(guān)心的問題。對(duì)要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接，應(yīng)分別賦予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，這些都是設(shè)計(jì)者處理構(gòu)造細(xì)部時(shí)經(jīng)?？紤]到的。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)。

4.穩(wěn)定設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

4.1穩(wěn)定問題是針對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行計(jì)算。在求解結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，除由柔索組成的結(jié)構(gòu)外，按未變形的結(jié)構(gòu)來分析其平衡，經(jīng)?？梢垣@得足夠精確的結(jié)果。穩(wěn)定問題的分析是針對(duì)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)該與所研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)出現(xiàn)的變形相對(duì)應(yīng)。

4.2 采用的是二階分析方法。針對(duì)已變形的結(jié)構(gòu)來分析其平衡，稱為二階分析方法。這種分析對(duì)柔性構(gòu)件尤為重要，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)變形后的位移和變形對(duì)外力效應(yīng)產(chǎn)生了不能忽視的影響。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算由于所研究的變形與荷載之間呈非線性關(guān)系，屬于幾何非線性問題，采用的就是此方法。這種分析方法與普通結(jié)構(gòu)力學(xué)中的內(nèi)力計(jì)算不同對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)，內(nèi)力計(jì)算與結(jié)構(gòu)的變形無關(guān)，屬于一階分析;對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，雖然在計(jì)算中涉及到變形問題，但仍屬于一階分析的方法。

4.3 用于應(yīng)力問題的迭加原理，在穩(wěn)定計(jì)算中不能應(yīng)用迭加原理的應(yīng)用應(yīng)滿足以下條件：鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題是很復(fù)雜的，尤其當(dāng)構(gòu)件存在初始缺陷、殘余應(yīng)力以及非線性因素的影響時(shí)，就更增加了解決穩(wěn)定問題的難度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者應(yīng)該明確結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能及一些基本概念，將有助于我們?cè)谠O(shè)計(jì)中更好地處理穩(wěn)定方面的問題，以免在設(shè)計(jì)過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失。

二、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

1.穩(wěn)定設(shè)計(jì)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)的區(qū)別

強(qiáng)度問題是指結(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，因此是一個(gè)應(yīng)力問題。穩(wěn)定問題則與強(qiáng)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(zhǎng)的狀態(tài)，從而設(shè)法避免進(jìn)入該狀態(tài)，因此，它是一個(gè)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(qiáng)度。顯然，軸壓強(qiáng)度不是柱子破壞的主要原因。強(qiáng)度是構(gòu)件上某一個(gè)截面的應(yīng)力問題，而穩(wěn)定則是構(gòu)件的整體問題，因此，在處理穩(wěn)定問題時(shí)，應(yīng)具有結(jié)構(gòu)整體觀點(diǎn)。

2.充分考慮缺陷對(duì)穩(wěn)定承載力的影響

2.1 構(gòu)件幾何缺陷的影響。桿件并非是完善直桿，在制造、安裝過程中難免有初始彎曲;構(gòu)件由于施工和加載等方面的原因，使荷載作用線偏離桿件軸線形成初始偏心。初始彎曲和初始偏心統(tǒng)稱為幾何缺陷有幾何缺陷的鋼壓桿在承受軸向壓力后，其側(cè)向撓度從加載開始就不斷增加，從而使二階彎矩不斷增大，失穩(wěn)時(shí)不是以平衡形式由直變彎，而是以變形發(fā)展導(dǎo)致承載力達(dá)到極限，因此降低了其穩(wěn)定承載力。

2.2 力學(xué)缺陷的影響。包括屈服點(diǎn)在整個(gè)構(gòu)件截面上的非均勻分布，存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力使壓桿的部分提前屈服，而按照鋼材為理想彈塑性體的簡(jiǎn)化假定，已屈服的塑性區(qū)剛度將消失，不能繼續(xù)有效地承載當(dāng)繼續(xù)加載時(shí)，有效截面只剩下彈性部分，塑性部分不再分擔(dān)增加的荷載，壓桿的穩(wěn)定承載力只取決于剩余強(qiáng)度，桿件的剛度大大削弱，導(dǎo)致了構(gòu)件屈曲時(shí)穩(wěn)定承載力降低。

2.3 充分認(rèn)識(shí)穩(wěn)定問題，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)。保證結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的穩(wěn)定性，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中極其重要的部分?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中很大的一部分條文都和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有關(guān)。這些條文的規(guī)定對(duì)防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)事故是必不可少的然而，僅僅按照《規(guī)范》的條文來處理結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題還不夠，設(shè)計(jì)者需要對(duì)條文的規(guī)定有一定深度的理解，并且通曉各種因素對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件穩(wěn)定性的影響，從而對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題進(jìn)行全面的把握，進(jìn)而靈活的運(yùn)用各種措施來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

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