钢结构设计中的稳定性问题分析

时间：2015-12-20 23:50:07 所属分类：金属学与金属工艺 浏览量:

摘 要：目前，钢结构中的稳定问题不但令经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡。现代工程史上因失稳而造成的钢结构事故数量不断增多，所以加强钢结构设计中的稳定性已势在必行。文章主要通过笔者多年的工作实践，针对钢结构设计中的稳定问题进行分析，并

摘　要：目前，钢结构中的稳定问题不但令经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡。现代工程史上因失稳而造成的钢结构事故数量不断增多，所以加强钢结构设计中的稳定性已势在必行。文章主要通过笔者多年的工作实践，针对钢结构设计中的稳定问题进行分析，并提出了有效的解决措施。

关键词：钢结构；稳定；设计
一、钢结构稳定设计的主要原则
　　根据笔者多年的工作经验，保证钢结构在设计中的稳定主要包括三方面的原则。
1.钢结构布置时，应考虑各个环节的稳定性要求
　　目前的结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。为了令这些平面结构不致出现平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。如1988 年加拿大一停车场的屋盖结构塌落，1985 年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的支撑而造成出平面失稳有关。由平面桁架组成的塔架基于同样原因需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系。
2.结构计算简图和实用计算方法相一致
　　目前在设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定性分折，而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，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，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件 GB 50017－2003 规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定，其中包括“框架中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，往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。在实际工程中，框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还可举出以下两种，即附有摇摆拄的框架和横梁受有较大压力的框架。这两种情况若按规范的系数计算都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。
3.细部构造和构件的稳定计算方法相符合
　　结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。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这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。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。然而在处理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，同时允许梁在水平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。
二、钢结构稳定设计的主要特点
　　（1）失稳和整体刚度: 现行规范通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法和折减系数法。
　　（2）稳定性整体分析：杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体稳定。稳定分析必须从整体着眼。
　　（3）稳定计算的其它特点：在弹性稳定计算中，除了需要考虑结构的整体性外，还有一些其他特点需要引起重视。首先要做的就是二阶分析，这种分析对柔性构件尤为重要，这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响；其次，普遍用于应力问题的迭加原理，在弹性稳定计算中不能应用。这是因为迭加原理的应用应以满足材料变形服从虎克定律，应力和应变成正比，结构的变形很小等两个条件为前提。
　　而弹性稳定计算一般均不能满足结构变形很小的条件，非弹性稳定计算则两个前提都不符合。
　　了解了在钢结构设计中应该明确的一些基本概念，有助于我们在设计中更好地处理稳定方面的问题，随着新型钢结构体系的不断发展，我们对稳定问题的研究要求也必须不断地提高，之所以在设计中出现结构失稳问题，另一个重要原因就是我们对新型结构稳定知之甚少，这也是目前钢结构稳定研究中存在的问题。
三、钢结构稳定的计算相关方法
　　（1）平衡法。平衡法是求解结构稳定极限荷载最基本的方法,它是根据已产生了微小变形后结构的受力条件建立平衡方程而后求解的。平衡法只能求解屈曲荷载，但不能判断结构平衡状态的稳定性。在许多情况下，采用平衡法可以得到精确解。
　　（2）能量法。如果结构承受着保守力，可根据有变化结构的受力条件建立总的势能。如果结构处在平衡状态，那么总势能必有驻值。根据势能驻值原理，先由总势能对于位移的一阶变形为零，得到平衡方程，再由平衡方程求解出屈曲荷载。此种方法一般只能获得屈曲荷载的近似解。用总势能驻值原理可以求解屈曲荷载，而用总势能最小原理可以判断屈曲后平衡的稳定性。
　　（3）动力法。处于平衡状态的结构体系，施加微小干扰使其发生振动，当荷载小于稳定的极限值时，干扰撤去以后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的，当荷载大于极限值时，即使将干扰撤去，运动仍是存在的，因此结构的平衡状态是不稳定的；临界状态的荷载即为屈曲荷载，由结构振动频率为零的条件即可解得。
四、钢结构稳定性研究中存在的主要问题
　　钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展但也存在一些不容忽视的问题。
　　（1）目前在网壳结构稳定性的研究中梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁-柱单元进行过修正。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。
　　（2）在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未能反映整体稳定与局部稳定的关联性。
　　（3）预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。
　　（4）钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。这些随机因素分为三类：①物理、几何不确定性：如材料（弹性模量，屈服应力，泊松

[1][2]下一页

转载请注明来自：http://www.zazhifabiao.com/lunwen/gcjs/jsxyjsgy/32041.html