鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的研究與分析

龔海龍，侯舒蘭

中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長沙 410075

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的研究與分析

龔海龍，侯舒蘭

中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長沙 410075

本文在分析鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)別、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在的問題、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡述了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性加固的方法和注意的問題。

鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；加固

由于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)不足及對結(jié)構(gòu)整體和構(gòu)件的穩(wěn)定性不夠清楚，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)事故，對于這個(gè)問題處理不好，將會(huì)造成不應(yīng)有的嚴(yán)重?fù)p失。

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)下由荷載所引起的最大應(yīng)力是否超過建筑材料的極限強(qiáng)度，因此，這是一個(gè)應(yīng)力問題。極限強(qiáng)度的取值取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料，可取它的最大強(qiáng)度，對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)穩(wěn)定性研究中存在的問題

1）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，梁-柱單元不一定能真實(shí)反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應(yīng)，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)值得探討的問題，預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論還很不完善，目前還沒有一個(gè)完整合理的理論體系來分析預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。

2）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)問題的研究。

3）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的不完善，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般都是把鋼結(jié)構(gòu)看成是完善的結(jié)構(gòu)體系，在設(shè)計(jì)中我們沒有考慮一些隨機(jī)因素的影響，一般情況下把影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨機(jī)因素分為3類：（1）物理、幾何不確定性：如材料(彈性模量，屈服應(yīng)力，泊松比等)、桿件尺寸、截面積、殘余應(yīng)力、初始變形等；（2）統(tǒng)計(jì)的不確定性：在統(tǒng)計(jì)與穩(wěn)定性有關(guān)的物理量和幾何量時(shí)，總是根據(jù)有限樣本來選擇概率密度分布函數(shù)。因此，帶來一定的經(jīng)驗(yàn)性。這種不確定性稱為統(tǒng)計(jì)的不確定性，是由于缺乏數(shù)據(jù)造成的；（3）模型的不確定性：為了對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，所提的假設(shè)、數(shù)學(xué)模型、邊界條件以及目前技術(shù)水平難以在計(jì)算中反映的種種因素，所導(dǎo)致的理論值與實(shí)際承載力的差異，都?xì)w結(jié)為模型的不確定性。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

1）結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系以及構(gòu)件局部穩(wěn)定性的要求

保證平面結(jié)構(gòu)不致出出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計(jì)必要的支撐構(gòu)件，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致，由平面桁架組成的塔架，需要注意桿件的穩(wěn)定和橫隔設(shè)置之間的關(guān)系。

2）結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡圖必須一致

目前，任設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算，在采用這種方法時(shí)，計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長度系數(shù),自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出,才能使柱子的穩(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)中為了簡化計(jì)算工作，需要設(shè)定一些不符合實(shí)際的典型條件。

3）細(xì)部構(gòu)造結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須一致

對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節(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)常考慮到的，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，支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時(shí)允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。

4 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1）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(jì)算法是臨界壓力求解法和折減系數(shù)法；2）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；3）穩(wěn)定計(jì)算的其它特點(diǎn)：在彈性穩(wěn)定計(jì)算中，除了需要考慮結(jié)構(gòu)的整體性外，還有一些其它特點(diǎn)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?yàn)槿嵝詷?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。

5 鋼結(jié)構(gòu)加固方法

鋼結(jié)構(gòu)加固的主要方法有：減輕荷載、改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強(qiáng)度、阻止裂紋擴(kuò)展等。當(dāng)有成熟經(jīng)驗(yàn)時(shí)，亦可采用其它加固方法。

5.1 改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形

改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形的加固方法是指采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點(diǎn)性質(zhì)和邊界條件，增設(shè)附加桿件和支撐、施加預(yù)應(yīng)力、考慮空間協(xié)同工作等措施對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法，增加支撐形成空間結(jié)構(gòu)并按空間結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，加設(shè)支撐增加結(jié)構(gòu)剛度,或者調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率等以提高結(jié)構(gòu)承載力和改善結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，增設(shè)支撐或輔助桿件使結(jié)構(gòu)的長細(xì)比減少以提高其穩(wěn)定性，在排架結(jié)構(gòu)中重點(diǎn)加強(qiáng)某一列柱的剛度，使之承受大部分水平力，以減輕其它柱列的負(fù)荷，在塔架等結(jié)構(gòu)中設(shè)置拉桿或適度張緊的拉索以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度。

5.2 對受彎桿件可采用下列改變其截面內(nèi)力的方法進(jìn)行加固

改變荷載的分布，例如將一個(gè)集中荷載轉(zhuǎn)化為多個(gè)集中荷載，改變端部支承情況，例如變鉸接為剛結(jié)，增加中間支座或?qū)⒑喼ЫY(jié)構(gòu)端部連接成為連續(xù)結(jié)構(gòu)，調(diào)整連續(xù)結(jié)構(gòu)的支座位置；將結(jié)構(gòu)變?yōu)閾螚U式結(jié)構(gòu)，施加預(yù)應(yīng)力，加設(shè)預(yù)應(yīng)力拉桿。加大構(gòu)件截面的加固采用加大截面加固鋼構(gòu)件時(shí)，所選截面形式應(yīng)有利于加固技術(shù)要求并考慮已有缺陷和損傷的狀況。

5.3 連接的加固與加固件的連接

鋼結(jié)構(gòu)連接方法,即焊縫、鉚釘、普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓連接方法的選擇，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)需要加固的原因、目的、受力狀況、構(gòu)造及施工條件，并考慮結(jié)構(gòu)原有的連接方法確定。鋼結(jié)構(gòu)加固一般宜采用焊縫連接、摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接,有依據(jù)時(shí)亦可采用焊縫和摩擦型高強(qiáng)度螺栓的混合連接。當(dāng)采用焊縫連接時(shí)，應(yīng)采用經(jīng)評定認(rèn)可的焊接工藝及連接材料。

6 結(jié)論

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。另外，在工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究領(lǐng)域中，還存在很多尚未解決的難題。比如：大跨度橋梁、大跨度薄殼、大跨度大空間網(wǎng)殼、高層與超高層建筑結(jié)構(gòu)的雙重非線性動(dòng)力穩(wěn)定性等問題，只有深入研究并解決這些難題，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論才會(huì)不斷地完善。

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TU2

A

1474-6708（2010）22-0024-02