钢结构稳定设计的相关问题

【摘 要】为更好的满足现代建筑工程的发展需要,提高建筑质量和更好的符合节能降耗建设的发展要求,轻型钢结构以其独特的优势性已逐步成为现代建筑工程中的主要设计与施工的首选.下面本文将结合作者多年的工作实践经验,对钢结构的稳定设计进行简单的论述.

【关 键 词】钢结构；稳定性；设计

随着国家综合实力的不断增强,各种相关性的工程建设均已逐步展开,但是在建筑工程快速发展的过程中,各种设计、施工、质量等问题也随之而逐步的暴露出来,钢结构的失稳现象便是其中之一.下面文章将从钢结构稳定设计的基本概念、失稳分类、稳定性设计原则和特点等方面对其进行简要的分析研究.

1钢结构稳定设计的基本概念

1.1钢结构的强度与稳定

所谓的钢结构强度属于应力范围问题,主要是指结构组件在其稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力是否超过建筑材料的极限强度.钢制材料的特性是决顶其极限强度的关键因素.

稳定问题则与强度问题不同,它主要是指外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态,即变形开始急剧增长的状态,从而设法避免进入该状态,因此,它是一个变形问题.轴压柱,由于失稳,侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩,因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度.显然,轴压强度不是柱子破坏的主要原因.

1.2钢结构的失稳

1.2.1受弯构件中梁在最大刚度平面内受弯的梁远在钢材到达屈服强度前就可能因出现水平位移而扭曲破坏,梁的这种破坏被称之为整体失稳.

1.2.2受弯构件中组合梁大多是选用高而薄的腹板来增大截面的惯性矩与底抗矩,同时也多选用宽而薄的翼缘来提高梁的稳定性,如钢板过薄,梁腹板的高厚比或是翼缘的宽厚比大到一定的程度时,腹板或受压翼缘在没有达到强度限值就发生波浪形的屈曲,使梁失去了局部稳定.它是使钢结构早期破坏的因素.

1.2.3受力构件中,截面塑性发展到一定程度构件突然而被压坏,压弯构件失去稳定.而压弯构件的计算则要同时考虑平面内的稳定性与平面外的稳定性.

结构失稳的问题十分重要,设计为轴心受压的构件,实际上总不免有一点初弯曲,荷载的作用点也难免有偏心.因此,我们要真正掌握这种构件的性能,就必须了解缺陷对它的影响,其他构件也都有个缺陷影响问题.

2钢结构失稳分类

钢结构的稳定问题主要是指在外荷载的作用下,整个钢结构是否发生屈曲或失稳现象.其失稳类型主要分为平衡分岔失稳、极值点失稳和跃越失稳.正确的区分钢结构的失稳类型,可以更好的评价结构或构件的稳定承载能力.

2.1平衡分岔失稳

完善的轴心受压构件其端部受到的荷载未达到某一限值时,仍能保持挺直的稳定平衡状态,构建截面承受的压应力是均匀的,沿构建的轴线也只产生相应的压缩变形,当构建截面承受的压力达到限值时,构建会突然发生弯曲,导致原来的轴心受压的平衡形式转变为与之相邻的但是带弯曲的新的平衡形式,这就是平衡分岔失稳.其特征是当荷载逐渐增加时,结构原有的平衡形式被破坏了,并出现了与原平衡形式有本质区别的新的平衡形式,由稳定平衡转变为不稳定平衡,出现了稳定性的转变.完善的（即无缺陷、挺直）轴心受压构件和完善的在中面内受压平板的失稳都属于平衡分岔失稳问题,属于这一类的还有理想的受弯构件以及受压的圆柱壳等的失稳.

2.2极值点失稳

极值点失稳是指建筑钢材做成的偏心受压构件在塑性发展到一定程度时丧失了稳定的能力,发生失稳时的荷载值就是构件的实际极限荷载,这类的平衡状态是渐变的,与平衡分岔失稳具有本质的区别.

2.3跃越失稳

跃越失稳不存在平衡分岔点,也没有极值点,是失稳发生后又跳跃到另一个稳定的平衡状态.

3钢结构设计的原则

为更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定出了以下原则.

3.1结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求

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.保证这些平面结构不致出平面失稳,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.

3.2结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致,这对框架结构的稳定计算十分重要.

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,自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.

3.3设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合,使二者有一致性.

结构计算和构造设计相符合,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.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.

4钢结构稳定设计特点

4.1失稳和整体刚度：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.

4.2稳定性整体分析：杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体.稳定分析必须从整体着眼.

4.3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.

5钢结构稳定性设计中存在的问题

钢结构稳定设计的理论和方法虽然在逐渐完善,但在实际设计过程中仍然存在一定的问题,这些问题处理不好同样会影响钢结构的稳定性.

5.1钢结构材料导致的计算误差

在钢结构的实际设计和计算过程中,为了计算方便,通常把钢材按照完全弹性材料做一阶分析,而实际使用的钢材为弹塑性材料,设计中忽略了钢材客观存在的缺陷（如残余应力、初弯曲、初偏心等）,导致稳定计算和现实结构的稳定承载能力存在较大的差距.

5.2钢结构稳定性研究中存在随机因素的影响

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.实际设计中,影响钢结构稳定性的因素很多,主要可分为三类：1）物理、几何不确定性,如材料、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等；2）统计的不准确性——在统计与稳定性有关的物理量和几何量时,总是根据有限样本来选择概率密度分布函数,因此具有一定的经验性；3）模型不确定性——为了对结构进行分析,我们所提的检测设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反应的种种因素,所导致的理论值与实际承载力的差异,都归结为模型的不确定性.在实际的钢结构设计工作中,只有深入的研究这些不稳定因素,钢结构稳定理论才能进一步完善.

6结论

钢结构的稳定性能是决定其承载力的重要因素,设计者如果对相关计算和技术上处理不当,可能会导致钢结构出现失稳,甚至坍塌.所以,设计者要重视分析影响钢结构失稳的因素,尤其是当构件存在初始缺陷、残余应力以及其他不确定因素时,设计者更应该谨慎处理.钢结构稳定问题区别于强度问题.在实际设计中,设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能,以免在设计过程中发生不必要的失稳损失.针对上述问题,本文提出了在设计过程中设计人员应该明确的一些基本概念.总之,只有深入了解这些问题,才会使得钢结构稳定理论设计不断地完善.