首页 国际标准结构工程-公众号 海外工程十五年之一一四——钢结构稳定设计的一些概念

海外工程十五年之一一四——钢结构稳定设计的一些概念

防止结构失稳是钢结构设计中应充分注意的问题。然而许多工程技术人员和土木工程专业的学生仍把结构稳定问题看成是一门很高深的学问以致对结构失稳的力学背景以及《钢结构设计标准》中结构稳定设计条文未能深入理解。钢结构及其梁、柱、板件的承载能力在很大程度上取决于它们的稳定性。因此充分理解结构稳定的力学本质和掌握结构稳定设计方法对做好钢结构设计至关重要。

一.钢结构和构件的整体失稳破坏

钢结构和构件的整体稳定,因结构形式的不同、截面形式的不同和受力状态的不同,可以有各种形式。对于轴心受压构件,可以有弯曲失稳、扭转失稳和弯扭失稳;对于受弯构件,为弯扭失稳;对于单轴受弯压弯构件,在弯矩作用平面内为弯曲失稳,在弯矩作用平面外为弯扭失稳;对于双轴受弯压弯构件,则总是呈既弯又扭的空间变形失稳;对于框架结构柱,在框架平面内为弯曲失稳,在框架平面外为弯扭失稳。

1 轴心压杆的屈曲变形

1 .弯曲失稳

对于截面没有削弱的双轴对称工字形等截面轴心受压构件,在承受较小压力 N时,构件可保持顺直。若遇到干扰力使其产生微小变形,在干扰力去掉后,构件将恢复其直线状态,这属于稳定

平衡状态。当 N增加到一定大小后,该平衡状态则会转化为不稳定平衡,亦即此时若有干扰力使其发生微变,则干扰力去掉后,构件仍保持微弯状态。这种除直线形式平衡外还存在微弯形式平衡

位置的情况称为平衡状态的分支。这时如果压力 N再稍增加,则弯曲变形就会迅速增大而使构件丧失承载能力。这种现象称为构件的弯曲屈曲或弯曲失稳,如图 1(a)所示。

2 .扭转失稳

某些抗扭刚度较弱的十字截面和 Z形截面等轴心受压构件,当 N达到某一临界值时,构件将发生微扭转变形。同样,若 N 再稍微增加,则扭转变形迅速增大而使构件丧失承载能力。这种现象称为扭转屈曲或扭转失稳,如图1(b)所示。

3 .弯扭失稳

当构件的截面为单轴对称时,可能会发生绕非对称轴弯曲屈曲,也可能会发生绕对称轴弯曲变形并同时伴随有扭转变形的屈曲,这称为弯曲扭转屈曲或弯曲扭转失稳,简称弯扭屈曲或弯扭失

稳,如图1(c)所示。

二.钢结构和构件的局部失稳破坏

钢结构和构件局部失稳是指在强度和整体稳定性满足的条件下,结构中的局部构件或构件中的板件,已不能承受外荷载的作用而先丧失稳定。这些局部构件在结构中可以是受压的柱和受弯的梁;构件中的板件可以是受压的翼缘板和受压或受剪的腹板。当组成构件的板件的高厚比或宽厚比超过一定限值时,板件在压应力或剪应力作用下便不能继续维持其原来的平面平衡状态而发生显著的波形屈曲。这种现象只在整个构件的局部发生,所以称为构件丧失局部稳定。如果是结构中的构件或局部构件段发生了失稳,则称结构丧失了局部稳定。

2受压构件局部屈曲

在轴心受压构件和压弯构件中,如果组成板件失去局部稳定,则薄板中的屈曲部分迅速退出构件工作,构件承载有效截面变小,甚至变成不对称截面,于是导致构件的整体承载力下降或加速构件整体失稳而丧失承载能力。格构式轴心受压构件和压弯构件的分肢既是组成构件整体截面的一部分,在缀件节点之间又是一个单独的实腹式受压构件。所以,对格构式构件进行稳定计算时,除计算其整体稳定性外,还应计算各分肢的(局部)稳定性。

用的公式在形式上与验算强度的公式相似,似乎都是验算某一截面,因而往往使人们对强度和稳定计算的实质分辨不清。二者之间的原则区别在于:强度是构件上某一个截面的应力问题,而稳定则是构件的整体问题,因为临界力Ncr (也即轴压稳定系数φ )是构件的截面刚度EI及构件长度l等因素(包括各种缺陷)综合决定的。因此,在处理稳定问题时,应具有结构整体观点。

2 充分考虑缺陷对稳定承载力的影响,运用最优化原理

近年来优化原理在结构设计中的应用有很大发展,它是使材料充分发挥潜力的有效方法。但是,不少研究结果表明,对于压杆稳定起控制作用的结构,作为完善构件来运用最优化原理要十分慎重。最优化设计的结构总是对缺陷很敏感。只要有一点偏差,结构的承载力就要下降。在计入各种缺陷的影响后,《钢结构设计规范》根据整体稳定性与局部稳定性相等的原则,给出了压杆局部稳定性设计公式;根据格构柱分肢与构件整体等稳,给出了分肢稳定性保证条件。这些都是优化原理在构件稳定设计中的应用。

3 充分认识稳定问题,进行钢结构稳定设计

保证结构和构件的稳定,是钢结构设计的重要内容。《钢结构设计标准》的很大一部分条文都和稳定问题相关。满足这些条文的规定要求,可防止出现结构失稳事故。然而,仅仅按规范条文来处理稳定问题是远远不够的。设计者除了需要弄清条文规定的力学背景外,还应充分认识各种因素对结构和构件稳定性能的影响,从而对钢结构稳定问题进行全面的把握,进而灵活地运用各种措施来增强结构稳定性。这也是设计者做好钢结构稳定设计所必须达到的基本要求。为此,以下各章将针对不同构件和结构分别进行详细阐述。


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作者: ganggouren

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