鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析

尚 溫 擴(kuò)

(山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計(jì)院，山西 太原　030045)

1　概述

隨著鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人們也開(kāi)始逐漸重視鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。而在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，穩(wěn)定性設(shè)計(jì)又是極為重要的工作。若是鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)問(wèn)題，將帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致人們生命安全受到威脅，因此，必須嚴(yán)格把關(guān)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)這一項(xiàng)重要工作。

2　鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素

2.1　材質(zhì)的影響

首先，材質(zhì)所擁有的強(qiáng)度將對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成極大影響。構(gòu)件強(qiáng)度指的是單一的一個(gè)構(gòu)件或是結(jié)構(gòu)處在穩(wěn)定狀態(tài)之下，外界載荷作用而導(dǎo)致的應(yīng)力是不是超出了材料所具備的極限強(qiáng)度值。構(gòu)件極限強(qiáng)度值又與構(gòu)件使用的原材料存在直接關(guān)聯(lián)性。由于各種材料自身的組成以及結(jié)構(gòu)均存在差異，導(dǎo)致不同材料的強(qiáng)度值也有所不同。材質(zhì)所擁有的質(zhì)量會(huì)在很大程度上影響到鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，也會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到影響。另外，即使所使用的材料一樣，不過(guò)，因?yàn)椴煌募庸すに?，也?huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度出現(xiàn)差異。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)充分的考慮材料情況，確保選用的材料能夠滿足鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。

2.2　形狀及連接方式的影響

鋼結(jié)構(gòu)的形狀有所差異，所對(duì)應(yīng)的重心位置同樣也會(huì)存在差異，同時(shí)，不同形狀擁有的截面也會(huì)存在差異，可以承受載荷的情況也會(huì)出現(xiàn)差異。連接方式同樣也能夠影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，要是不同的構(gòu)件之間連接位置無(wú)法相對(duì)移動(dòng)以及相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)件能夠保持更好的穩(wěn)定性。在眾多框架結(jié)構(gòu)之中，三角形屬于最為基本的形狀，而且具有良好的穩(wěn)定性，使用的材料也相對(duì)少。

2.3　支撐面積的影響

結(jié)構(gòu)的支撐面積較大，則會(huì)表現(xiàn)出更加穩(wěn)定的性質(zhì)，而結(jié)構(gòu)支撐面積較小，則會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的問(wèn)題。我們常見(jiàn)的大壩一般均會(huì)將其設(shè)計(jì)成為梯形結(jié)構(gòu)，這主要是為了增加支撐面積，從而確保結(jié)構(gòu)更加的穩(wěn)定。

另外，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素之間，通常都是緊密相關(guān)的，在進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求應(yīng)當(dāng)全面的分析不同因素對(duì)結(jié)構(gòu)具體影響情況，同時(shí)也要結(jié)合一些自然因素，比如，臺(tái)風(fēng)因素、地質(zhì)災(zāi)害因素等等。

3　鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型分析

3.1　穩(wěn)定分岔失穩(wěn)

對(duì)于軸心受壓的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，當(dāng)構(gòu)件端部位置承受的載荷作用還沒(méi)有達(dá)到特定極限情況時(shí)，依舊可以確保自身維持直立的平衡狀態(tài)，此時(shí)建筑構(gòu)件所承受到的應(yīng)力屬于均勻分布的，沿著構(gòu)件軸線方向上僅僅會(huì)發(fā)生壓縮變形。而要是外界載荷作用達(dá)到了鋼結(jié)構(gòu)截面所能夠承受的極限應(yīng)力時(shí)，此時(shí)構(gòu)件便在瞬間出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，使得之前構(gòu)件從軸心受壓的狀態(tài)而轉(zhuǎn)化成屈曲平衡狀態(tài)，此種情況便為穩(wěn)定分岔失穩(wěn)。穩(wěn)定分岔失穩(wěn)的重要特點(diǎn)便是在外界載荷作用不斷增大過(guò)程中，鋼結(jié)構(gòu)之前存在的平衡形式會(huì)被打破，會(huì)轉(zhuǎn)變成為和之前平衡狀態(tài)存在本質(zhì)不同的全新平衡狀態(tài)，穩(wěn)定平衡狀態(tài)進(jìn)入到了不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。無(wú)缺陷軸心受壓構(gòu)件發(fā)生的失穩(wěn)問(wèn)題均為平衡分岔失穩(wěn)問(wèn)題。

3.2　不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)或者是構(gòu)件發(fā)生屈曲之后，要想確保構(gòu)件保持平衡狀態(tài)，所受到的載荷作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于構(gòu)件臨界載荷，此種情況下構(gòu)件發(fā)生屈曲現(xiàn)象便為有限干擾屈曲現(xiàn)象。

3.3　極值點(diǎn)失穩(wěn)

一些鋼結(jié)構(gòu)屬于偏心受壓構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件在塑性發(fā)展至相應(yīng)程度以后，便會(huì)失去原有的穩(wěn)定狀態(tài)。構(gòu)件出現(xiàn)失穩(wěn)時(shí)承受的外界載荷便是結(jié)構(gòu)極限載荷，此種失穩(wěn)情況是不斷漸變的，從根本上講此種失穩(wěn)類型和穩(wěn)定分岔失穩(wěn)存在著本質(zhì)區(qū)別。

3.4　跨越失穩(wěn)

鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)不僅沒(méi)有平衡分岔點(diǎn)，同時(shí)也不存在極值點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)失穩(wěn)問(wèn)題時(shí)構(gòu)件跳躍至另一種平衡狀態(tài)，這種情況便為跨越失穩(wěn)。

4　鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的方法

現(xiàn)階段，在開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，基本上均是從平面體系作為切入點(diǎn)開(kāi)始設(shè)計(jì)。而要想確保平面結(jié)構(gòu)擁有更為優(yōu)良的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)全面的考慮結(jié)構(gòu)整體布局情況，設(shè)計(jì)出更為科學(xué)與合理的支撐結(jié)構(gòu)，這樣才能確保平面結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)問(wèn)題。

4.1　靜力法

所謂靜力方法即為平衡方法，我們也稱其為歐拉方法，此種方法經(jīng)常用于計(jì)算彈性系統(tǒng)所擁有的屈曲載荷。我們首先設(shè)定鋼結(jié)構(gòu)屬于彈性穩(wěn)定體系，則在這一體系之中擁有平衡分岔點(diǎn)，在該平衡分岔點(diǎn)附近便會(huì)有兩種平衡狀態(tài)存在，其一是結(jié)構(gòu)的狀態(tài)完好下的平衡狀態(tài)，其二是結(jié)構(gòu)出現(xiàn)細(xì)微屈曲狀態(tài)下的平衡狀態(tài)。而采用靜力平衡法法則是在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)細(xì)微屈曲狀態(tài)下的平衡狀態(tài)情況下，構(gòu)建相應(yīng)的分析體系以及方程組，并且進(jìn)行求解的一種設(shè)計(jì)方法。要是采用靜力平衡方法計(jì)算得出的解數(shù)目超過(guò)1個(gè)，依照長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，其中最小數(shù)值便是體系所擁有的分岔屈曲載荷值。采用靜力方法進(jìn)行求解僅僅可以得出體系所擁有屈服載荷大小，無(wú)法進(jìn)一步明確體系處于平衡狀態(tài)之下所擁有的穩(wěn)定性情況。一般情況下，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，很少對(duì)鋼結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)之下的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，僅僅需要計(jì)算出鋼結(jié)構(gòu)所擁有屈服載荷。因此，此種設(shè)計(jì)方法在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用較為廣泛。

4.2　能量法

我們又將能量法稱作是鐵木辛柯法，其屬于近似求解的方法，利用的原理包含有能量守恒原理以及勢(shì)能駐值原理，并對(duì)體系的臨界載荷進(jìn)行求解。

1)利用能量守恒原理計(jì)算臨界載荷。在鋼結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)之下時(shí)，則鋼結(jié)構(gòu)體系所擁有的應(yīng)變能大小，和外力對(duì)體系做功的大小相同，也就是說(shuō)體系保持能量守恒。體系達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)不同能量所對(duì)應(yīng)的關(guān)系為：

ΔU=ΔW。

式中：ΔU——系統(tǒng)中應(yīng)變能的增加量；

ΔW——外力對(duì)系統(tǒng)做功的增加量。

利用能量守恒原理構(gòu)建出體系平衡狀態(tài)下的微分方程。

2)利用勢(shì)能駐值原理計(jì)算臨界載荷。所謂勢(shì)能駐值原理指的是當(dāng)體系遭遇外界載荷作用情況下，體系的位移會(huì)出現(xiàn)非常微小改變，但是體系所擁有的總勢(shì)能卻能夠保持固定，也就是總勢(shì)能在保持固定的情況下，系統(tǒng)一直處在平衡狀態(tài)之下，所對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為：

δΠ=0。

其中，δΠ為體系之中總勢(shì)能所擁有的一階變分，其中：

δΠ=δU+δV=δU-δW。

式中：δU——由于虛位移所導(dǎo)致的體系內(nèi)應(yīng)力發(fā)生改變，此數(shù)值一直為正數(shù)；

δW——外力的作用由于體系出現(xiàn)虛位移對(duì)體系做功大小，同時(shí)外力的勢(shì)能改變量δV和外力的虛功負(fù)值相同，也就是δV=δW。

如此，我們也能夠?qū)?shì)能駐值的原理理解為：彈性變形體系對(duì)于所有和約束相容的虛位移，總的勢(shì)能一階變分值是0，也就是說(shuō)這一體系達(dá)到了平衡的狀態(tài)。

4.3　振動(dòng)法

此種方法也被稱作是動(dòng)力法，采用此方法計(jì)算體系穩(wěn)定問(wèn)題的具體原理為：將一些非常細(xì)微的干擾作用在平衡狀態(tài)下體系之中，讓體系出現(xiàn)一定的振動(dòng)，依照體系出現(xiàn)的振動(dòng)狀態(tài)，來(lái)計(jì)算體系所擁有的臨界載荷大小。若是所施加載荷大小較體系極限載荷小的情況下，此時(shí)體系變形方向便會(huì)和振動(dòng)加速度的方向恰恰相反，而且體系振動(dòng)會(huì)在時(shí)間不斷增加的情況下而逐漸出現(xiàn)收斂，體系最后會(huì)趨向靜止?fàn)顟B(tài)。而若是所施加載荷大小較體系極限載荷大的情況下，此時(shí)體系變形方向便會(huì)和振動(dòng)加速度的方向恰恰相同，而且體系振動(dòng)會(huì)在時(shí)間不斷增加的情況下而逐漸出現(xiàn)發(fā)散，此時(shí)體系所擁有的平衡狀態(tài)便會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。而若是體系的振動(dòng)狀態(tài)屬于諧振，此時(shí)作用在體系之上的載荷變?yōu)轶w系屈曲載荷。

5　結(jié)語(yǔ)

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，承載性能很大程度上是由其穩(wěn)定性所決定的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，只有確保采用的方法與技術(shù)合理與適宜，才可以確保設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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