探討鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

張德智，張志偉

（黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院,黑龍江 哈爾濱 150080）

1 鋼結(jié)構(gòu)之簡(jiǎn)述

1.1 鋼結(jié)構(gòu)之定義

鋼結(jié)構(gòu)通常是指由型鋼和鋼板等鋼材通過焊接、螺栓聯(lián)接或鉚接而制成的工程結(jié)構(gòu)。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)

優(yōu)勢(shì)：自重較輕，工作的可靠性強(qiáng)，抗震性能及抗沖擊性能好，制造的工業(yè)化程度高，整體剛性強(qiáng)，易于準(zhǔn)確快速裝配，變形力強(qiáng)，材料韌性塑性好，鋼結(jié)構(gòu)建筑物室內(nèi)空間大，易做成密封結(jié)構(gòu)，工期較短，可回收利用等。

劣勢(shì)：易腐蝕、耐火性差，存在一定安全隱患等。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域及我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展前景

主要應(yīng)用領(lǐng)域：由于鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，其常被用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物。隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的普及和其持續(xù)性發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于建筑、鐵路設(shè)施、橋梁和住宅等諸多方面。

2 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析

2.1 穩(wěn)定及失穩(wěn)的含義

和穩(wěn)定相關(guān)的問題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(zhǎng)的狀態(tài)，之后設(shè)法防止進(jìn)入該狀態(tài)，所以從某種意義上講，這屬于一個(gè)變形問題。

失穩(wěn)也被稱為屈曲，是指鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失去了整體的或局部的穩(wěn)定性，一般在承載力極限狀態(tài)范圍之內(nèi)。另外，若對(duì)構(gòu)件或板件因受壓、受彎或受剪等產(chǎn)生的受壓區(qū)域處理不當(dāng)，鋼結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)的現(xiàn)象。盡管鋼結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)前的變形量可能看起來微乎其微，但突然的失穩(wěn)會(huì)使其因幾何形狀急劇變化而喪失抗壓力，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物整體塌落。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類

就鋼結(jié)構(gòu)的性質(zhì)可將其主要分為以下三種類型：

（1）分支點(diǎn)失穩(wěn)，也叫做平衡分岔失穩(wěn)，指結(jié)構(gòu)到達(dá)臨界荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)在原來的平衡狀態(tài)外可能出現(xiàn)第二個(gè)平衡狀態(tài)，即在同一個(gè)荷載點(diǎn)出現(xiàn)了平衡分岔現(xiàn)象。按照結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析理論，直桿軸心受壓時(shí)的屈曲和平板在中面受壓均屬此類。板的屈曲后強(qiáng)度較為明顯，往往可以在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用。

（2）極值點(diǎn)失穩(wěn)，亦即無平衡分岔失穩(wěn)，像由鋼材建造的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到一定程度時(shí)失去其穩(wěn)定能力的現(xiàn)象，及雙向彎曲壓彎構(gòu)件和雙向受彎構(gòu)件的彈塑性彎扭失穩(wěn)均屬于這一類。

（3）躍越失穩(wěn)則不同于上述兩類，它既無平衡分岔點(diǎn)，又無極值點(diǎn)，而是在失去穩(wěn)定平衡之后直接跳到另一個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。扁平的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和鉸接的坦拱一般都容易發(fā)生躍越失穩(wěn)，盡管在屈曲后其荷載能繼續(xù)增大，但是過度的變形已造成結(jié)構(gòu)破壞，所以實(shí)際工程中應(yīng)以臨界荷載作為承載的極限值。

2.3 研究鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的方法

（1）平衡法，亦即中性平衡法或靜力平衡法，也就是根據(jù)已發(fā)生了微量變形后的鋼結(jié)構(gòu)的受力條件建立平衡微分方程，然后對(duì)其進(jìn)行求解的方法，這是求解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限荷載的最基本方法。在建立平衡微分方程時(shí)應(yīng)滿足下面五個(gè)基本假定：構(gòu)件是等截面直桿，壓力始終沿構(gòu)件原來軸線產(chǎn)生作用，材料遵循胡克定律，構(gòu)件滿足平截面假定，構(gòu)件的彎曲變形是微小的。行相應(yīng)的分析，故平衡法在多數(shù)情況下較為常用。

（2）動(dòng)力法，即對(duì)已處于平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系加以細(xì)微干擾令其產(chǎn)生振動(dòng)的方法，此時(shí)結(jié)構(gòu)的變形和振動(dòng)加速度都與已經(jīng)作用在結(jié)構(gòu)上的荷載有關(guān)。當(dāng)荷載小于穩(wěn)定的極限荷載值時(shí)，加速度方向與變形的方向相反，相應(yīng)的若撤去干擾，運(yùn)動(dòng)則趨于靜止，此時(shí)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)；而當(dāng)荷載大于穩(wěn)定的極限荷載值時(shí)，加速度方向和變形的方向相同，此時(shí)就算去除干擾，運(yùn)動(dòng)依然發(fā)散，而此時(shí)結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)不穩(wěn)定。

（3）能量法，是求解承載力穩(wěn)定性的一種近似方法，即通過能量守恒原理和勢(shì)能駐值原理來求解臨界荷載的方法。由小變形理論分析可得，能量法一般只能獲得屈曲荷載的近似解；但若事先能了解屈曲后的變形形式，用這種方法進(jìn)行計(jì)算便于得到精確解。另外，通常而言，用總勢(shì)能駐值原理可以求解屈曲荷載，而用總勢(shì)能最小原理能夠分析出屈曲后平衡的穩(wěn)定性。

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的相關(guān)研究

3.1 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中常見問題分析

到目前為止鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性研究雖已取得了一定的成績(jī)，但仍面臨著不少問題：

（1）在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中，作為主要研究工具的梁—柱單元理論能否反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)還很難說，還需要對(duì)該理論進(jìn)行相應(yīng)的修正。

（2）預(yù)張拉鋼結(jié)構(gòu)體系有一定的應(yīng)力儲(chǔ)備，較普通鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定，但預(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。

（3）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先確定結(jié)構(gòu)參數(shù)、再輸入隨機(jī)荷載這一形式，而在實(shí)際工程中，這并不合理，易造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

（1）布置結(jié)構(gòu)的整體時(shí)必須考慮到整個(gè)體系及其組成部分穩(wěn)定性的原則。當(dāng)前大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)都是依照平面體系設(shè)計(jì)的，因而要想確保這些平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面失穩(wěn)的現(xiàn)象，就必須注意結(jié)構(gòu)整體布置，換言之即平面結(jié)構(gòu)的整體布置要和相應(yīng)的穩(wěn)定計(jì)算相一致。

（2）構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須與細(xì)部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造具有一致性的原則。在處理結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造時(shí)，設(shè)計(jì)者既要普遍注意到結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)與構(gòu)造設(shè)計(jì)相一致，還要考慮到應(yīng)減少桁架節(jié)點(diǎn)的桿件偏心，另應(yīng)賦予要求傳遞及不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接以足夠的柔度和剛度。

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