鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性概述

1、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性概述摘要: 介紹了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的基本概念及其失穩(wěn)的類型，分析了各種因素對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件穩(wěn)定性能的影響，總結(jié)了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的特點，從而促使鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論設(shè)計不斷完善。關(guān)鍵詞 : 鋼結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性，基本概念，結(jié)構(gòu)設(shè)計引言: 在工程實際中，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題一直是很突出，很多鋼結(jié)構(gòu)工程因為沒有很好地處理穩(wěn)定性問題而造成工程破壞，造成重大的損失。1907年加拿大魁北克的一座大橋在施工過程中發(fā)生破壞。1978年美國哈特福特城的體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因壓桿屈曲而破壞。 1988年加拿大一停車場屋蓋結(jié)構(gòu)塌落，1985 年土耳其一體育場看臺屋蓋塌落，這些事故都與沒有設(shè)置恰當(dāng)?shù)闹斡嘘P(guān)。而在我國也發(fā)生過因為穩(wěn)

2、定性問題而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)破壞的工程事故。可以說在鋼結(jié)構(gòu)工程中，穩(wěn)定性問題比材料強度問題表現(xiàn)的更為明顯和突出，本文從鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基本概念出發(fā)，明確在設(shè)計中需要注意的問題，以及在新型結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的新問題，給廣大的設(shè)計人員一些提醒。1 穩(wěn)定性的基本概念1.1 穩(wěn)定的概念穩(wěn)定是指處于初始平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，在受到外力作用時，小范圍地偏離初始位置，當(dāng)外力消失后，結(jié)構(gòu)能夠回到其初始的位置，這就屬于穩(wěn)定狀態(tài)。若在外力消失后結(jié)構(gòu)不能回到平衡位置，則被認為是不穩(wěn)定狀態(tài)。失穩(wěn)或屈曲是由于結(jié)構(gòu)中的壓力引起其幾何形狀突然改變而喪失承載能力的現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)屈曲時所對應(yīng)的荷載稱為屈曲荷載或臨界荷載。由于結(jié)構(gòu)失穩(wěn)可能產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，

3、所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須在承載能力極限狀態(tài)驗算中把穩(wěn)定驗算作為一個區(qū)別于一般強度驗算的特例加以考慮。1.2. 強度與穩(wěn)定的區(qū)別強度問題是指結(jié)構(gòu)或者單個構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起的最大應(yīng)力是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應(yīng)力問題。極限強度的取值取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料，可取它的最大強度。對鋼材則常取它的屈服點，穩(wěn)定問題則與強度問題不同，它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的狀態(tài)，從而設(shè)法避免進入該狀態(tài)，因此，它是一個變形問題。1.3. 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類無論是簡單結(jié)構(gòu)還是復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)的荷載位移全過程曲線( 平衡路1 徑) ，可以獲得其在

4、整個受荷過程中結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性以及剛度變化的最為直觀的概念，所以在這里通過一些簡單結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線，按照結(jié)構(gòu)在屈曲前和屈曲后的反應(yīng)特點對結(jié)構(gòu)失穩(wěn)進行分類。1.3.1. 第一類穩(wěn)定問題或具有平衡分岔的穩(wěn)定問題( 也叫分支點失穩(wěn) ) 。完善直桿軸心受壓時的屈曲和完善平板中面受壓時的屈曲都屬于這一類。從設(shè)計的角度看，這類失穩(wěn)穩(wěn)定的屈曲后平衡路徑意味著，結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生屈曲，結(jié)構(gòu)的剛度就會迅速降低并因此產(chǎn)生比較大的變形，但結(jié)構(gòu)具有屈曲后強度 ，即結(jié)構(gòu)具有承擔(dān)大于屈曲荷載的承載能力。所以，這種屈曲破壞是有預(yù)兆的延性破壞。1.3.2 第二類穩(wěn)定問題或無平衡分岔的穩(wěn)定問題( 也叫極值點失穩(wěn) )。由建筑鋼材做

5、成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到一定程度時喪失穩(wěn)定的承載能力，屬于這一類。但某些結(jié)構(gòu)如坦拱，即使是完全彈性的，也沒有平衡分岔。從設(shè)計的角度看，這類失穩(wěn)不穩(wěn)定的屈曲后平衡路徑意味著，結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生屈曲，結(jié)構(gòu)的剛度就會迅速降低并因此產(chǎn)生比較大的變形，但結(jié)構(gòu)沒有屈曲后強度，即結(jié)構(gòu)不具有承擔(dān)大于屈曲荷載的承載能力。所以，這種屈曲破壞是沒有預(yù)兆的脆性破壞。1.3.3 躍越屈曲。這種屈曲的特點是: 結(jié)構(gòu)由一個平衡位形突然跳到另一個平衡位形，其間出現(xiàn)很大的變形。從設(shè)計的角度看，這類結(jié)構(gòu)的跨高比越大，臨界荷載越小。分析表明，初始幾何缺陷對結(jié)構(gòu)的臨界荷載影響不大。以上三類分法是針對彈性結(jié)構(gòu)做出的，并未包括彈塑性的極

6、值失穩(wěn)。當(dāng)然，材料進入非彈性階段后情況會有所不同。1.4 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則根據(jù)穩(wěn)定問題在實際設(shè)計中的特點提出了以下三項原則并具體闡明了這些原則，以更好地保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中構(gòu)件不會喪失穩(wěn)定。1.4.1 結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個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)計的。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出現(xiàn)平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。由平面桁架組成的塔架，基于同樣原因，需要注意桿件的穩(wěn)定和橫隔設(shè)置之間的關(guān)系。1.4.2 結(jié)構(gòu)計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖相一致，桿件穩(wěn)定計算的常用方法，往往

7、是依據(jù)一定的簡化假設(shè)或典型情況得出的，設(shè)計者必須確知所設(shè)計的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時才能正確應(yīng)用。這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算十分重要。1.4.3 設(shè)計結(jié)構(gòu)的細部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計算必須相互配合，使二者有一致性。結(jié)構(gòu)計算和構(gòu)造設(shè)計相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計中大家都注意的問題。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時，構(gòu)造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。1.5 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的特點1.5.1 考慮變形對外力效應(yīng)的影響分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題需要涉及到結(jié)構(gòu)變形后的位形和變形對外力效應(yīng)( 即二階效應(yīng) ) 的影響。針對未變形的結(jié)構(gòu)來分析它的平衡，不考慮變形對外力效應(yīng)的影響，叫做一階分析 ; 針對已變形的結(jié)構(gòu)來分析它的平衡，則是二階分析。

8、應(yīng)2 力問題通常都用一階分析，只有少數(shù)結(jié)構(gòu)因為變形對內(nèi)力影響很大，才需要用二階分析。穩(wěn)定問題原則上都應(yīng)該用二階分析，但因目前采用一階分析產(chǎn)生的誤差并不是很大，能夠適應(yīng)工程應(yīng)用。1.5.2 靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的區(qū)分失去意義靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的劃分，是適應(yīng)應(yīng)力問題的需要而做出的。靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析只用靜力平衡關(guān)系就夠了，超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，則還需加上變形協(xié)調(diào)關(guān)系。在穩(wěn)定計算中，無論何種結(jié)構(gòu)都要針對變形后的位形進行分析。既然總要涉及變形，靜定和超靜定結(jié)構(gòu)的區(qū)分就失去了意義。1.5.3 疊加原理不適用疊加原理普遍用于應(yīng)力問題。它的應(yīng)用以滿足下列兩個條件為前提: (1) 材料服從虎克定律，亦即應(yīng)力與應(yīng)變成

9、正比; (2) 結(jié)構(gòu)的變形很小，可以用一階分析來進行計算。概括地說，也就是它既不存在物理的非線性，也不存在幾何的非線性。穩(wěn)定問題一般不符合第二個前提，因為它需要用二階分析來計算。二階分析在曲率和位移導(dǎo)數(shù)之間雖然可以看出存在線性關(guān)系，但內(nèi)力和變形之間常常是非線性關(guān)系，疊加原理不適用。2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在的問題2.1 目前在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中，梁- 柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁柱單元是否能真實反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)還很難說，雖然有學(xué)者對梁-柱單元進行過修正，主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應(yīng)。2.2 在大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的相互關(guān)系也是一個值得探討的問題。目前

10、大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中只取一個統(tǒng)一的穩(wěn)定安全系數(shù)，未反映整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)性。2.3 預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定設(shè)計理論還很不完善，目前還沒有一個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。2.4 鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性研究中存在許多隨機因素的影響，目前結(jié)構(gòu)隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、隨機荷載輸入這樣一個格局范圍，而在實際工程中，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，會引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著差異。所以應(yīng)著眼于考慮隨機參數(shù)的結(jié)構(gòu)極值失穩(wěn)、干擾型屈曲、跳躍型失穩(wěn)問題的研究。鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性研究中存在許多隨機因素的影響, 目前結(jié)構(gòu)隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、隨機荷載輸人這樣

11、一個格局范圍，而在實際工程中，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，會引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著差異。3. 鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定問題的可靠性研究3 在目前的結(jié)構(gòu)分析中，實際當(dāng)中的各種隨機性缺陷需要在理論當(dāng)中考慮，引入隨機參數(shù)去附和實際的情形，引入可靠度分析的方法，進行結(jié)構(gòu)可靠性分析的研究。3.1 結(jié)構(gòu)分析中不確定因素的存在影響剛結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性的不確定性的基本變量許多是隨機的，一般分為三類: 物理、幾何不確定性 : 如材料 (彈性模量 , 屈服應(yīng)力 , 泊松比等 )、桿件尺寸、截面積、殘余應(yīng)力、初始變形等; 統(tǒng)計的不確定性 : 在統(tǒng)計與穩(wěn)定性有關(guān)的物理量和幾何量時，總是根據(jù)有限樣本來選擇概率密度分布函數(shù)，因此帶來一定的經(jīng)驗

12、性。這種不確定性稱為統(tǒng)計的不確定性，是由于缺乏信息造成的; 模型的不確定性 : 為了對結(jié)構(gòu)進行分析，所提的假設(shè)、數(shù)學(xué)模型、邊界條件以及目前技術(shù)水平難以在計算中反映的種種因素，所導(dǎo)致的理論值與實際承載力的差異，都歸結(jié)為模型的不確定性。3.2 目前結(jié)構(gòu)的可靠性研究國內(nèi)外學(xué)者對結(jié)構(gòu)可靠度理論已經(jīng)進行了較為深人的研究，在可靠度計算方法及復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠度分析方面取得了很多研究成果。任何工程分析和設(shè)計的最終目的是使設(shè)計的結(jié)構(gòu)在不同要求下滿足不同的功能安全性、使用性、耐久性。由于不確定性的存在，就需要把這些不確定性加入工程設(shè)計中，從而產(chǎn)生了很多可靠度方法。3.3 數(shù)值方法對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，功能函數(shù)通常不能明確表達為輸入隨機變量的函數(shù)，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)通常通過數(shù)值方法 ( 如有限元 ) 來計算。這些數(shù)值方法一般分為三類: 蒙特卡羅模擬法( 包括高效的取樣法和方