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淺談鋼結構穩定性

淺談鋼結構穩定性

分類:
公司新聞
發布時間:
2019/03/28
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  隨著時間的流逝,我國經濟的飛速發展,鋼產量得到了不斷的提高,我們逐漸了解了鋼結構產業,更意識到鋼結構在建筑行業的重要性。再加上鋼結構重量輕、塑性和韌性好、施工簡便工期短等優點,使得鋼結構工程日益增多,隨處可見。如今由于失穩造成的工程事故也屢屢發生,更讓我們不得不更關注鋼結構的穩定性。本論文通過對鋼結構穩定性的定義、原理、計算方法三個方面闡述了我對鋼結構穩定性的體會。

  1.引言

  由于失穩造成的工程事故增多,穩定性問題也成為了國內外學者關注和研究的重點問題之一。例如: 美國哈特福特城的體育館平面92m×110m的網架結構 ,由于壓桿屈曲失穩,墜落地面; 1988年我國也曾發生鋼網架因腹桿穩定不足在施工過程中塌落的事故; 2010年1月3日下午,昆明新機場38m鋼結構橋跨突然垮塌,原因是橋下鋼結構支撐體系突然失穩, 8m高的橋面隨即垮塌下來。

  從以上案例中可以看出,由于結構設計不合理,導致結構失穩,最終導致事故發生。為了保證建筑的安全性,我們更應該重視穩定性的設計。

  2.鋼結構穩定性的定義

  2.1 強度與穩定的區別:穩定計算是在結構變形后的幾何形狀和位置上進行計算的。穩定主要是找出外部荷載與結構內部抵抗力間不穩定的平衡狀態,即變形開始急劇增長而需設法避免進入的狀態,因此它是一個變形問題。強度是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載所引起的最大應力(或內力)是否超過建筑材料的極限強度,因此它是一個應力問題。

  2.2 鋼結構失穩是一個過程,是一個整體行為,和構件剛度有關,和軸心拉力作用無關。即軸心拉桿不需要進行穩定計算,壓彎桿需要進行穩定驗算。失穩可分為分支點失穩、極值點失穩。

  2.2.1 分支點失穩也是有平衡分岔的問題,完善直桿在軸心受壓的失穩以及平板在中心面受壓的失穩都歸屬于這一類。

  2.2.2 極值點失穩也是沒有平衡分岔的問題,由建筑鋼材做成的偏心受壓構件,當塑性發展到一定程度后的極值點失穩都歸屬于這一類。

  3.鋼結構穩定性的設計方法

  3.1 鋼結構的穩定性包括整體穩定性和局部穩定性。幾何缺陷和力學缺陷都是引起結構整體不穩定的因素。幾何缺陷主要是初始的彎曲和初始偏心影響的。力學缺陷主要是殘余應力影響的。穩定性不能孤立的考慮單個構件,還要考慮相鄰構件對其影響。局部屈曲不一定導致整體結構承載能力的喪失,但他卻影響著整體穩定的臨界力。

  3.2 鋼結構穩定性問題分析方法是在外力荷載作用下結構發生變形的條件下進行的,此變形是與構件失穩時的變形相對應的。穩定計算屬于幾何非線性問題,所以應采用二階分析的方法。結構體系、構件的長度、連接方式、截面的形狀尺寸、殘余應力的分布以及外荷載作用等一系列的條件都將影響穩定計算的結果。結構的穩定承載力可以通過穩定計算得出的屈服荷載或極限荷載來體現。穩定計算不能應用應力的疊加原理,可以應用疊加原理的構件必須滿足以下二個條件,一是不存在材料的非線性,二是不存在幾何非線性。而彈性穩定計算不符合第二個條件,非彈性穩定計算二個條件都不符合。所以穩定性計算不能應用疊加原理。

  3.3 壓彎構件整體穩定性驗算分為平面內穩定性驗算和平面外穩定性驗算。

  平面內失穩—壓彎構件在彎矩和軸線壓力共同作用下,可能在彎矩作用的平面內發生整體的彎曲失穩。其受力條件相當于偏心壓桿。計算公式為:

  平面外失穩—開口截面壓彎構件的抗扭剛度和彎矩作用平面外的抗彎剛度通常都不大,當側向沒有足夠支承以阻止其產生側向位移和扭轉時,構件可能因彎扭屈曲而破壞。計算公式為:

  注:閉口截面η=0.7其他截面η=1.0

  4.穩定問題的主要計算方法

  下面分別從有限自由度體系和無限自由度體系兩個方面研究臨界荷載的計算方法。穩定的自由度即一個體系發生彈性變形時,確定其變形狀態所需的獨立幾何參數的數目。

  4.1 靜力法—有限自由度體系。在原始平衡路徑之外尋找行的平衡路徑,確定二者交叉的分支點,求出臨界荷載。根據小撓度理論,列出其平衡方程。平衡方程是充分考慮變形后幾何尺寸的變化,根據變形后的結構新位置列出的方程。該平衡方程是以位移為未知量的齊次方程,要想得到非零解,系數應為零,得出穩定方程,兩條平衡路徑交點即分支點,分支點對應的荷載即為臨界荷載。

  能量法—有限自由度體系。根據勢能為駐值且位移有非零解,從而可以得出臨界荷載。計算步驟如下:根據能量守恒原理寫出勢能表達式(勢能=彈簧應變能+荷載勢能),建立勢能駐值條件,根據位移有非零解的條件,得出特征方程,求出特征荷載,取特征荷載中的最小值即臨界荷載。

  能量法與靜力法都是同樣的齊次方程,計算步驟也完全相同。

  4.2 靜力法—無限自由度體系。在變形狀態下建立平衡方程,再根據平衡形式的二重性建立特征方程,最后求出臨界荷載。無限自由度體系不同于有限自由度體系的是平衡方程是微分方程而不是齊次方程。

  能量法—有限自由度體系。通過一些可能的位移狀態,根據能量守恒原理,求出勢能(勢能=彈簧應變能+荷載勢能),由勢能為駐值條件,可得齊次方程組,為了得到非零解,齊次方程的系數行列式應為零,由此求出特征荷載值,特征荷載值中的最小值即為臨界荷載。

  無限自由度體系不同于有限自由度體系的是平衡方程,有限自由度體系是齊次方程,而無限自由度體系是齊次微分方程。

  5.鋼結構穩定性設計的幾點體會

  5.1 軸心受拉構件不用驗算整體穩定和局部穩定。

  5.2 軸心受壓構件和壓彎構件,由于存在各種缺陷,所以比較容易喪失穩定,因而需要穩定驗算。驗算局部穩定有兩種方式:一是控制翼緣板自由外伸長度與翼緣厚度之比;二是控制腹板凈高度與腹板厚度之比。對于圓管截面的受壓構件,應控制外徑與壁厚之比,圓管的徑厚比限值和鋼材屈服強度成反比。

  6.結束語

  通過加強對穩定性的了解,更加重視整體穩定和局部穩定驗算,盡量避免結構設計缺陷,以免在設計過程中發生失穩,造成不必要的損失。隨著對鋼結構研究的不斷深入和新型鋼結構的研發,設計人員應該更好的了解其性能,不斷完善鋼結構穩定設計,從而鋼結構能得到長足的發展。

  參考文獻:

  [1]GB50017-2003,鋼結構設計規范[S].

  [2]陳紹蕃.鋼結構設計原理[M].北京:中國建筑工業出版社, 2004.

  [3]龍馭球.結構力學教程(Ⅱ).北京:高等教育出版社,2001.1

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