摘 要:鋼結構因具有自重輕、強度高、工業化程度高等優點,在建筑工程中得到了廣泛的應用,另一方面,因其結構失穩破壞造成的人員傷亡、財產損失的事故案例也常有耳聞,而失穩破壞的原因通常是結構設計缺陷所致。論文通過對鋼結構穩定性設計的概念、原則及分析方法的總結,結合工程設計實踐談談對鋼結構穩定性設計的體會。
關鍵詞:鋼結構;穩定性設計;細部構造
穩定性是鋼結構工程設計中需要重點考慮的內容之一,現實生活中因鋼結構失穩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的網架結構,突然于1978年墜落地面,原因是由于壓桿屈曲失穩; 1988年我國也曾發生13·2m×18·0m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,造成7人死亡、8人重傷、26人輕傷,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。從上述案例可以看出,鋼結構失穩破壞的原因通常是其結構設計不合理,存在結構設計缺陷所致,要從根本上杜絕此類事故的發生,鋼結構穩定性設計是關鍵。
1 鋼結構穩定性設計的概念
1·1 強度與穩定的區別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。極限強度的取值因材料的特性不同而異,對鋼材是取它的屈服點。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。例如軸壓柱,當失穩時柱的側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遠低于它的軸壓強度,此時,失穩是柱子破壞的主要原因。
1·2 鋼結構失穩的分類1)有平衡分岔的穩定問題(分支點失穩)。完善直桿軸心受壓時的屈曲和平板中面受壓時的屈曲均屬于這一類。2)無平衡分岔的穩定問題(極值點失穩)。由建筑鋼材做成的偏心受壓構件,在塑性發展到一定程度時喪失穩定的能力,屬于這一類。3)跳躍失穩是一種不同于以上兩種類型的穩定問題,它是在喪失穩定平衡之后跳躍到另一個穩定平衡狀態。
2 鋼結構穩定性設計的原則
2·1 鋼結構布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩定性要求目前鋼結構大多數是按照平面體系來設計的,如桁架和框架。保證這些平面結構不出現平面外失穩,需要從結構整體布置來解決,如增加必要的支撐構件等。要求平面結構構件的平面穩定計算需與結構布置相一致。
2·2 結構計算簡圖需與實用計算方法所依據的簡圖一致當設計單層或多層框架結構時,通常不做框架穩定分析而只做框架柱的穩定計算。采用這種方法計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數,應通過框架整體穩定分析得出,使柱穩定計算等效于框架穩定計算。《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)對單層或多層框架給出的柱計算長度系數采用了5條基本假定,其中包括:“框架中的所有柱子是同時喪失穩定的,即各柱同時達到其臨界荷載”,按照這條假定,框架各柱的穩定參數、桿件穩定計算的常用方法,是依據一定的簡化假設或者典型情況得出的,設計者需確認所設計的結構符合這些假設時才能正確應用。
2·3 鋼結構的細部構造設計與構件的穩定計算應一致保證鋼結構的細部構造設計與構件的穩定計算相符合,是鋼結構設計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點連接,應分別賦與它足夠的剛度和柔度,對桁架節點應盡量減少桿件偏心。但是,當涉及穩定性能時,構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如,簡支梁就抗彎強度來說,對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移,同時允許在平面內轉動。然而在解決梁整體穩定時上述要求就不夠了,支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉,同時允許梁在平面內轉動和梁端截面自由翹曲,以符合穩定分析所采取的邊界條件。
3 鋼結構穩定性的分析方法鋼結構穩定問題的分析都是針對在外荷載作用下結構存在變形的條件下進行的,此變形應該與所研究的結構或構件失穩時出現的變形相對應。結構變形與荷載之間呈非線性關系,穩定計算屬于非線性幾何問題,采用的是二階分析方法。穩定計算所確定的不論是屈曲荷載還是極限荷載,都可視為所計算的結構或構件的穩定承載力。
3·1 靜力法靜力法即靜力平衡法,是根據已發生了微小變形后結構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遵循如下基本假定:1)構件是等截面直桿。2)壓力始終沿構件原來軸線作用。3)材料符合胡克定律,即應力與應變成線性關系。4)構件符合平截面假定,即構件變形前的平截面在變形后仍為平截面。5)構件的彎曲變形是微小的,曲率可以近似地用撓度函數的二階導數表示。根據以上假定條件可建立平衡微分方程,代入相應的邊界條件,即可解得兩端鉸支的軸壓構件的臨界荷載。
3·2 能量法能量法是求解穩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時,貯存在結構體系中的應變能等于外力所做的功,即能量守恒原理。其臨界狀態的能量關系為:ΔU =ΔW式中 ΔU———指應變能的增量; 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:受外力作用的結構,當位移有微小變化而總勢能不變,即總勢能有駐值時,結構處于平衡狀態。表達式為:dΠ=dU-dW=0式中 dU———指虛位移引起的結構內應變能的變化,它總是正值; dW———指外力在虛位移上作的功。
3·3 動力法處于平衡狀態的結構體系,如果施加微小干擾使其發生振動,這時結構的變形和振動加速度都和已經作用在結構上的荷載有關。當荷載小于穩定的極限荷載值時,加速度和變形的方向相反,因此干擾撤去后,運動趨于靜止,結構的平衡狀態是穩定的;當荷載大于穩定的極限荷載值時,加速度和變形的方向相同,即使撤去干擾,運動仍是發散的,因此結構的平衡狀態是不穩定的。臨界狀態的荷載即為結構的屈曲荷載,可由結構的振動頻率為零的條件解得。
4 鋼結構穩定性設計的幾點體會1)目前鋼結構設計多借助鋼結構計算機軟件進行結構受力計算,結構和構件的平面內強度及整體穩定計算可依靠程序自動完成,結構和構件的平面外強度及穩定計算,需要設計者另做分析、計算和設計。此時可將整個結構按標高分解成多個不同布置形式的結構體系,在不同的水平荷載作用下,進行結構體系的強度和穩定計算。2)受彎鋼構件的板件局部穩定有兩種方式:一是以屈曲為承載能力的極限狀態,并通過對板件寬厚比的限制,使之不在構件整體失效前屈曲;二是允許板件在構件整體失效前屈曲,并利用其屈曲后強度,構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度的梁局部穩定,可對梁設置橫向或縱向加勁肋,以解決梁的局部穩定問題,加勁肋按《鋼結構設計規范》(GB50017 -2003)規定設置;對于組合梁腹板考慮屈曲后強度的計算按《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)第4·4規定執行。3)軸心受壓構件和壓彎構件局部穩定有兩種方式:一是控制翼緣板自由外伸寬度與其厚度之比;二是控制腹板計算高度與其厚度之比。對于圓管截面的受壓構件,應控制外徑與壁厚之比,加勁肋按《鋼結構設計規范》(GB50017-2003)第5·4規定設置。
5 結 語
鋼結構因具有自重輕、強度高、工業化程度高等優點,在建筑工程中得到了廣泛的應用,相信通過加強對結構的整體穩定、局部穩定以及平面外穩定的設計,克服結構設計缺陷,其應用的領域會越來越廣泛。
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.
