淺談鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

【摘要】穩(wěn)定問題一直是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)體系的廣泛應(yīng)用凸顯了穩(wěn)定問題研究的重要性和緊迫性。本文通過對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的定義、原理、設(shè)計(jì)方法三個(gè)方面闡述了我對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的體會。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性

鋼結(jié)構(gòu)以其特有的結(jié)構(gòu)特征及受力性能得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但是一旦出現(xiàn)失穩(wěn)事故，不但對經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損失，而且會造成人員的傷亡，因此穩(wěn)定問題是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中目前需要解決的首要問題。

1、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的原則

1.1結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。

目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計(jì)的，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來保證這些平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面失穩(wěn)，亦即設(shè)計(jì)必要的支撐構(gòu)件。例如，大跨度管架，一般需要做成桁架型式，而用PKPM進(jìn)行桁架設(shè)計(jì)時(shí)，一般只拿出一榀來進(jìn)行平面內(nèi)構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算，桁架平面外穩(wěn)定則需要通過在上下旋分別設(shè)橫梁及水平支撐來保證。

1.2結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡圖相一致。

這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算十分重要。目前設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。采用這種方法時(shí)，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，才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算。

2、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的計(jì)算方法

2.1靜力法

靜力法是求解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限荷載的最基本的方法。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。

即可解得兩端鉸支的軸壓構(gòu)件的臨界荷載。

2.2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：

△U=△W

式中△U一指應(yīng)變能的增量；

△W一指外力功的增量。

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：

式中 — 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；

一指外力在虛位移上作的功。

根據(jù)小變形理論，能量法一般只能獲得屈曲荷載的近似解；但是，如果事先能夠了解屈曲后的變形形式，采用此變形形式作計(jì)算可以得到精確解。當(dāng)總勢能具有最小值時(shí)，它的二階微分是正值，平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。這就是說，用總勢能駐值原理可以求解屈曲荷載，而用總勢能最小原理可以判斷屈曲后平衡的穩(wěn)定性。

2.3動力法

動力法屬于結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定問題。處于平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系，如果施加微小干擾使其發(fā)生振動，這時(shí)結(jié)構(gòu)的變形和振動加速度都和已經(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)，加速度和變形的方向相反，因此干擾撤去后，運(yùn)動趨于靜止，結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的；當(dāng)荷載大于穩(wěn)定的極限荷載值時(shí)，加速度和變形的方向相同，即使撤去干擾，運(yùn)動仍是發(fā)散的，因此結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。臨界狀態(tài)的荷載即為結(jié)構(gòu)的屈曲荷載，可由結(jié)構(gòu)的振動頻率為零的條件解得。

3、工程實(shí)例

3.1工程背景

該工程是位于的一個(gè)高濃度磷酸罐區(qū)的鋼框架。本結(jié)構(gòu)設(shè)在多個(gè)磷酸罐之上，高度為17m，為滿足工藝的要求，柱距縱向?yàn)?9.5m，橫向?yàn)?m；根據(jù)我國現(xiàn)行《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求.鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的一般設(shè)計(jì)原則。本工程主要采用Q235B鋼材，焊條采用E43型，框架梁為HN800x300x14x26型鋼，次梁主要采用HW300x300，HW250x250，HN250X125，框架柱主要采用HM588x300x12x20。柱與獨(dú)立基礎(chǔ)剛性連接；框架柱間支撐采用T型鋼支撐TM125x175x7x11，水平支撐為L125X8。

本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級.抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組.抗震設(shè)防類別為丙類，場地類別為三類。

3.2荷載取值

（1）主要荷載：

（2）風(fēng)荷載選?。?0.35kN/ ?；基本雪壓選?。?0.20kN/ 。

（3）計(jì)算時(shí)特別注意，把攪拌槳所產(chǎn)生彎矩和扭矩，彎矩以相反豎向力加在節(jié)點(diǎn)，扭矩以最小支座邊長以水平力形式加到受力點(diǎn)，并且需要考慮荷載的動力系數(shù)（這里取了1.4的系數(shù)）。

3.3設(shè)計(jì)分析計(jì)算

（1）荷載工況。按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定，該工程應(yīng)考慮X方向地震力作用，Y方向地震力作用，X方向風(fēng)力作用，Y方向風(fēng)力作用，恒載作用，活載作用下的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力。

（2）計(jì)算方法?？梢詫⒘褐鳛檎w計(jì)算，梁傳來的水平推力使柱頂發(fā)生水平位移，反過來柱通過自身變形釋放了大部分剪力，（下轉(zhuǎn)79頁）（上接77頁）內(nèi)力達(dá)到平衡。只要鋼梁具備足夠的剛度，不設(shè)太大的柱子同樣滿足了強(qiáng)度與變形要求?？梢娬w算法具有明顯的優(yōu)越性。結(jié)構(gòu)分析采用了STS空間建模，并用Satwe軟件完成框架桿件的強(qiáng)度和穩(wěn)定、自振周期和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度等計(jì)算。其中需要特別注意的一下兩點(diǎn)：①該結(jié)構(gòu)跨度大，又根據(jù)工藝要求需要開較大洞口，并且承受較大的彎矩和扭矩，所以洞口周邊支撐設(shè)備的鋼梁采取增大梁的截面寬度和增加縱向加勁肋并且增加洞口周邊支撐數(shù)量，形成平面內(nèi)穩(wěn)定；②結(jié)構(gòu)考慮為雙向有側(cè)移，所以柱子計(jì)算長度系數(shù)需要按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄D，按有側(cè)移框架柱計(jì)算長度系數(shù)，再帶入計(jì)算。

3.4結(jié)果分析

先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)構(gòu)件斷面尺寸進(jìn)行試算，然后調(diào)整應(yīng)力比過大和過小的斷面再試算；利用計(jì)算機(jī)軟件可以將此過程快速反復(fù)多次，最終得到大多數(shù)構(gòu)件應(yīng)力比都接。根據(jù)以往的結(jié)構(gòu)振型與自振周期表來看，結(jié)構(gòu)水平方向的主要振型無明顯突變，結(jié)構(gòu)沿高度方向的質(zhì)量和剛度分布也比較合理，得出以下驗(yàn)算結(jié)果：見表2

表2 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果：構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。計(jì)算分析表明，各種梁、柱設(shè)計(jì)應(yīng)力均控制在規(guī)范允許設(shè)計(jì)限值的90% ，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性好。各類節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算也符合規(guī)范的要求。

結(jié)語：

隨著鋼結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)人員在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，需根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及工程需要選擇合適的計(jì)算方法，更加準(zhǔn)確的計(jì)算和把握結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定狀態(tài)，克服結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)缺陷，最大程度地減少鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的工程事故，不斷完善鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)，從而使得鋼結(jié)構(gòu)可以得到更好的發(fā)展。