钢结构稳定的特点设计计算原则

【摘 要】分析了钢结构稳定的特点及介绍了钢结构稳定设计计算的原则,对从事钢结构工作的设计及施工人员理解钢结构性能提供了有益的参考.

【关 键 词】钢结构,稳定,设计

钢结构构件的截面纤薄而开阔,故钢结构的稳定问题较其他结构类型更为突出.虽然有关钢结构稳定研究的最新成果已经反映在我国现行国家标准《钢结构设计规范》(GB50017-2003)及《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018-2002)中,但由于某些工程设计人员及施工人员对钢结构稳定的特点理解不透彻,给钢结构工程带来了发生失稳破坏的隐患.

一、钢结构失稳具有突然性和灾难性

失稳破坏具有突然性,具有典型的脆性破坏特征.以图1所示的完善的轴心受压构件发生分支点失稳破坏为例,当P

Pcr时,该轴心受压构件突然发生侧向挠曲,构件丧失承载能力.这种丧失承载能力的过程是在没有任何先兆的情况下瞬间发生,具有突然破坏的特性.

二、钢结构稳定具有多样性

钢结构的失稳,在形式上具有多样化的特点.例如轴心受压构件常见的失稳形式是弯曲失稳,但不是唯一的失稳形式,还有扭转失稳和弯扭失稳.压弯构件存在弯矩作用平面内的弯曲失稳和弯矩作用平面外的弯扭失稳,刚架表现出无侧移的对称失稳和有侧移的反对称失稳,拱结构也表现出对称形式的失稳和反对称形式的失稳,薄板有受压失稳和剪切失稳,失稳既有局部失稳又有整体失稳等,这些都是稳定问题多样性的表现.

三、钢结构稳定具有整体性

对于结构来说,它是由各个构件组成的一个整体,当一个构件发生失稳变形后,必然牵动和它刚性连接的其他构件.构件的稳定性不能就某一个构件孤立地去分析,应当考虑其他构件对它的约束作用,这种约束作用是要从结构的整体分析中去确定,这就是结构稳定的整体性.结构稳定的整体性在刚架稳定分析中表现得十分明显,在分析刚架的稳定时既要考虑同层柱之间的相互影响,又要考虑层与层间柱的相互影响,还要考虑梁柱之间的相互约束作用,表现出整体性分析的特点.稳定问题的整体性不仅表现在构件之间的相互约束,也表现在围护结构对承重结构的约束作用,只是这种约束作用目前在设计中被忽略了.稳定问题的整体性要求稳定分析应该从整体结构着眼.

四、钢结构稳定与强度、刚度计算的关系

强度表示结构中的材料或截面能够承受的最大应力或最大内力,刚度表示抵抗变形的能力,失稳表示结构不再能够以原来的平衡形式继续承受附加的荷载.强度问题指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力(或内力)是否超过建筑材料的极限强度,极限强度取决于材料的特性,对混凝土等脆性材料取它的最大强度,对钢材则常取它的屈服点.稳定问题则与强度问题不同,它主要是找出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,它是一个变形问题.显然,轴压强度不是柱子破坏的主要原因.

由于稳定问题是要找出作用与结构内部抵抗力之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,它是一个变形问题.在临界状态,如果构件上的荷载哪怕有微小的增加,平衡的性质就会发生转变,即失稳,甚至平衡的形状都会发生变化,即屈曲.强度代表了截面的极限状态,即截面的刚度达到了零,表现为内力不增加,变形可以增加很大.失稳也代表了结构或构件的极限状态,即结构不再具有继续承受荷载、抵抗进一步变形的能力,所以稳定是一个刚度问题.实际上,结构是分层次的,刚度也是分层次的,每一层次结构都会发生失稳现象.在材料层次上,应力―应变曲线上切线模量为零的点表示金属内部晶体结构不再能够保持原状,通过滑移达到新的状态,这代表微观状态的失稳,所以材料层次的失稳是强度问题.结构或构件层次上的失稳表示结构或构件不再能够承受附加的荷载,代表了结构或构件的刚度为零.

五、钢结构稳定计算的特点

(1)稳定问题采用二阶分析.针对未变形的结构来分析它的平衡,不考虑变形对作用效应的影响称为一阶分析,针对已变形的结构来分析它的平衡,则是二阶分析.由于稳定问题是针对变形后的结构进行分析,所以采用二阶分析.(2)稳定问题不能用叠加原理.普遍应用于应力问题的叠加原理不能应用于稳定计算.应用叠加原理有两个条件:一是材料符合虎克定律,即应力与应变成正比,二是结构处于小变形状态,可以用一阶分析来计算.也就是说,运用叠加原理既不存在物理的非线性,也不存在几何的非线性.弹性稳定问题不满足第二个条件,所以稳定不能用叠加原理,非弹性稳定计算则两个条件均不满足.叠加原理不适用于稳定问题,但是,稳定计算公式的构形往往使稳定问题的这一特点被忽略,或不容易被理解、被接受.(3)稳定问题不必区分静定和超静定结构.对应力问题,静定和超静定结构内力分析方法不同,静定结构的内力分析只用静力平衡条件即可,超静定结构内力分析则还需增加变形协调条件.在稳定计算中,无论何种结构都要针对变形后的位形分析.既然总要涉及变形,区分静定与超静定就失去意义.所以稳定问题不必区分静定和超静定结构.

六、钢结构稳定的设计原则

(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.目前结构大多数是按照平面体系来设计,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.(2)结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致.目前任设计单层和多层框架结构时,经常不作框架稳定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,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.实际框架多种多样,设计中为了简化计算工作,需要设定一些典型条件.GB50017-2003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检测定,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”.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检测设和具体计算对象应该相一致.(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,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.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.

从事钢结构工作的设计和施工人员只有正确理解钢结构稳定的特点及采用正确的钢结构稳定设计计算原则才能保证钢结构工程较少发生失稳破坏的隐患,因此除了掌握本文提出的内容外,尚需在工作中理论结合实践,进一步理解钢结构稳定的特点,进行性合理的设计和施工.