淺談鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

胡士權(quán)

【摘 ?要】鋼結(jié)構(gòu)因具有自重輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，另一方面，因其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失的事故案例也常有耳聞，而失穩(wěn)破壞的原因通常是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷所致。論文通過對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的概念、原則及分析方法的總結(jié)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐談?wù)剬︿摻Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的體會(huì)。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu);穩(wěn)定性設(shè)計(jì);細(xì)部構(gòu)造

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容之一，現(xiàn)實(shí)生活中因鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的工程事故案例也較多，如美國哈特福特城的體育館平面92m×110m的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，突然于1978年墜落地面，原因是由于壓桿屈曲失穩(wěn);1988年我國也曾發(fā)生13·2m×18·0m鋼網(wǎng)架因腹桿穩(wěn)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(jī)場38m鋼結(jié)構(gòu)橋跨突然垮塌，造成7人死亡、8人重傷、26人輕傷，原因是橋下鋼結(jié)構(gòu)支撐體系突然失穩(wěn)，8m高的橋面隨即垮塌下來。從上述案例可以看出，鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的原因通常是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷所致，要從根本上杜絕此類事故的發(fā)生，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

1·1 強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)別強(qiáng)度是指結(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，因此它是一個(gè)應(yīng)力問題。極限強(qiáng)度的取值因材料的特性不同而異，對鋼材是取它的屈服點(diǎn)。穩(wěn)定主要是找出外部荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長而需設(shè)法避免進(jìn)入的狀態(tài)，因此它是一個(gè)變形問題。例如軸壓柱，當(dāng)失穩(wěn)時(shí)柱的側(cè)向撓度使柱中增加很大的附加彎矩，從而柱子的破壞荷載可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它的軸壓強(qiáng)度，此時(shí)，失穩(wěn)是柱子破壞的主要原因。

1·2 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類1）有平衡分岔的穩(wěn)定問題（分支點(diǎn)失穩(wěn)）。完善直桿軸心受壓時(shí)的屈曲和平板中面受壓時(shí)的屈曲均屬于這一類。2）無平衡分岔的穩(wěn)定問題（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。3）跳躍失穩(wěn)是一種不同于以上兩種類型的穩(wěn)定問題，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)。

2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的原則

2·1 鋼結(jié)構(gòu)布置必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求目前鋼結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計(jì)的，如桁架和框架。保證這些平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，如增加必要的支撐構(gòu)件等。要求平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定計(jì)算需與結(jié)構(gòu)布置相一致。

2·2 結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖需與實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡圖一致當(dāng)設(shè)計(jì)單層或多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，通常不做框架穩(wěn)定分析而只做框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。采用這種方法計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長度系數(shù)，應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）對單層或多層框架給出的柱計(jì)算長度系數(shù)采用了5條基本假定，其中包括：“框架中的所有柱子是同時(shí)喪失穩(wěn)定的，即各柱同時(shí)達(dá)到其臨界荷載”，按照這條假定，框架各柱的穩(wěn)定參數(shù)、桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用方法，是依據(jù)一定的簡化假設(shè)或者典型情況得出的，設(shè)計(jì)者需確認(rèn)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。

2·3 鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)與構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)一致保證鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)與構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算相符合，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要高度注意的問題。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。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，簡支梁就抗彎強(qiáng)度來說，對不動(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)。然而在解決梁整體穩(wěn)定時(shí)上述要求就不夠了，支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時(shí)允許梁在平面內(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。

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的分析都是針對在外荷載作用下結(jié)構(gòu)存在變形的條件下進(jìn)行的，此變形應(yīng)該與所研究的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)出現(xiàn)的變形相對應(yīng)。結(jié)構(gòu)變形與荷載之間呈非線性關(guān)系，穩(wěn)定計(jì)算屬于非線性幾何問題，采用的是二階分析方法。穩(wěn)定計(jì)算所確定的不論是屈曲荷載還是極限荷載，都可視為所計(jì)算的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的穩(wěn)定承載力。

3·1 靜力法靜力法即靜力平衡法，是根據(jù)已發(fā)生了微小變形后結(jié)構(gòu)的受力條件建立平衡微分方程，然后解出臨界荷載。在建立平衡微分方程時(shí)遵循如下基本假定：1）構(gòu)件是等截面直桿。2）壓力始終沿構(gòu)件原來軸線作用。3）材料符合胡克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系。4）構(gòu)件符合平截面假定，即構(gòu)件變形前的平截面在變形后仍為平截面。5）構(gòu)件的彎曲變形是微小的，曲率可以近似地用撓度函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)表示。根據(jù)以上假定條件可建立平衡微分方程，代入相應(yīng)的邊界條件，即可解得兩端鉸支的軸壓構(gòu)件的臨界荷載。

3·2 能量法能量法是求解穩(wěn)定承載力的一種近似方法，通過能量守恒原理和勢能駐值原理求解臨界荷載。1）能量守恒原理求解臨界荷載。保守體系處在平衡狀態(tài)時(shí)，貯存在結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)變能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其臨界狀態(tài)的能量關(guān)系為：ΔU =ΔW式中 ΔU———指應(yīng)變能的增量;ΔW———指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。2）勢能駐值原理求解臨界荷載。勢能駐值原理指：受外力作用的結(jié)構(gòu)，當(dāng)位移有微小變化而總勢能不變，即總勢能有駐值時(shí)，結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)。表達(dá)式為：dΠ=dU-dW =0式中 dU———指虛位移引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變能的變化，它總是正值;dW———指外力在虛位移上作的功。

4 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)體會(huì)1）目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多借助鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面內(nèi)強(qiáng)度及整體穩(wěn)定計(jì)算可依靠程序自動(dòng)完成，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面外強(qiáng)度及穩(wěn)定計(jì)算，需要設(shè)計(jì)者另做分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)。此時(shí)可將整個(gè)結(jié)構(gòu)按標(biāo)高分解成多個(gè)不同布置形式的結(jié)構(gòu)體系，在不同的水平荷載作用下，進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算。2）受彎鋼構(gòu)件的板件局部穩(wěn)定有兩種方式：一是以屈曲為承載能力的極限狀態(tài)，并通過對板件寬厚比的限制，使之不在構(gòu)件整體失效前屈曲;二是允許板件在構(gòu)件整體失效前屈曲，并利用其屈曲后強(qiáng)度，構(gòu)件的承載能力由局部屈曲后的有效截面確定。對于不考慮屈曲后強(qiáng)度的梁局部穩(wěn)定，可對梁設(shè)置橫向或縱向加勁肋，以解決梁的局部穩(wěn)定問題，加勁肋按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017 -2003）規(guī)定設(shè)置;對于組合梁腹板考慮屈曲后強(qiáng)度的計(jì)算按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）第4·4規(guī)定執(zhí)行。3）軸心受壓構(gòu)件和壓彎構(gòu)件局部穩(wěn)定有兩種方式：一是控制翼緣板自由外伸寬度與其厚度之比;二是控制腹板計(jì)算高度與其厚度之比。對于圓管截面的受壓構(gòu)件，應(yīng)控制外徑與壁厚之比，加勁肋按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）第5·4規(guī)定設(shè)置。

5 結(jié) 語

鋼結(jié)構(gòu)因具有自重輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，相信通過加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定以及平面外穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，克服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，其應(yīng)用的領(lǐng)域會(huì)越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

（作者身份證號(hào)：32091119660821311X）