钢结构稳定设计相关问题研究

发布时间：2022-10-05 10:07 热度：

　　摘要:钢结构的稳定性是钢结构设计中的一项重点问题，一旦失稳问题出现，造成的人民生命财产安全不堪设想。本文分析了钢结构失稳的一些常见情况，然后论述了钢结构稳定设计的主要原则，当前钢结构稳定性研究中存在的问题进行了分析。
　　
　　关键词:钢结构；结构稳定；结构设计
　　
　　一、钢结构失稳的分类
　　1、第一类稳定问题或者具有平衡分岔的稳定问题(也叫分支点失稳)。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。
　　2、第二类稳定问题或无平衡分岔的稳定问题(也叫极值点失稳)。由建筑钢材做成的偏心受压构件,在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力属于这一类。
　　3、跃越失稳不同于以上两种类型,它既无平衡分岔点,又无极值点,它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。只有正确判断出结构失稳的类型,才有可能正确估量结构的稳定承载力。
　　总的来说，失稳一般有三种：稳定的分叉屈曲，不稳定的分叉屈曲和跳跃式的屈曲。具体解释见教材说明吧，我们这里讨论的是稳定的分叉屈曲，它的特点是承载力极限大于临界屈曲值，缺陷有影响，但是不会改变屈曲后的形态。
　　
　　二、钢结构稳定设计的原则
　　1、结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求。
　　2、结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致。目前任设计单层和多层框架结构时,经常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。柱的计算长度系数,应通过框架整体稳定分析得出,才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而,实际框架多种多样,设计中为了简化计算工作,设定了一些典型条件。规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了5条基本假定,设计者必须确知所设计的结构符合这些假定时才能应用。实际工程中,框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况大有存在。如:附有摇摆柱的框架、横梁受有较大压力的框架等。这两种情况若按规范的系数计算,都会导致不安全的结果。所以,采用的计算方法应与前提假设和具体计算对象保持一致。
　　3、设计结构的细部构造和构件的稳定计算保持一致。当涉及稳定性能时,构造上常有不同于强度的要求或特殊考虑。
　　
　　三、钢结构稳定性研究中存在的问题
　　钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展,但也存在一些不容忽视的问题:
　　1、目前在网壳结构稳定性的研究中,梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说,虽然有学者对梁-柱单元进行过修正。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。
　　2、在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题,目前大跨度结构设计中只取一个统一的稳定安全系数,未反映整体稳定与局部稳定的关联性。
　　3、预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善,目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。
　　从上面可以看出,钢结构稳定理论还不够完善,我们在设计中一般都是把钢结构看成是完善的结构体系,没有考虑一些随机因素的影响。一般情况下影响钢结构稳定性随机因素分为三类:(1)物理、几何不确定性;(2)统计的不确定性;(3)模型的不确定性。
　　
　　四、钢结构的稳定设计
　　（一）轴压构件的稳定
　　1、稳定系数中的缺陷，稳定系数中的缺陷通过等效缺陷偏心系数e来表现，而根据力学缺陷的不同来区分a,b,c,d四种截面。因此，假如结构分析中已经更精确的考虑了几何缺陷和截面焊接等缺陷，那么欧拉承载力可以直接应用于设计公式，而不再需要复杂的稳定系数。
　　2、轴压下的扭转屈曲
　　绝大部分的对称截面，和饶非对称轴的单轴对称截面，它们饶弱轴的弯曲屈曲临界力都低于扭转临界力，因此此时轴压下一般可以不用考虑扭转失稳，而“十”字型的截面例外，需要通过局部稳定来限制。
　　3、轴压作用下的弯扭失稳
　　单轴对称的截面饶对称轴总是发生弯扭屈曲，因为此时的临界力最小，稳定性差，因此需要按照规范的要求采用yz的长细比计算以考虑弯扭稳定。非对称截面则不宜用于轴压。
　　（二）钢结构梁的弯扭失稳
　　梁的弯扭失稳需要记住两点：
　　1、从本质上是受压翼缘的失稳，因此此翼缘如果在侧向支撑限制的比较好的话，那么弯扭屈曲是可以保证的。
　　2、规范公式的计算理论是基于支座处不产生扭转变形，因此支作处需要有构造保证，比如支座翼缘处可靠的侧向支撑等。
　　（三）压弯构件的稳定
　　压弯构件的稳定计算的简化模型是“均布弯矩”+“轴向压力”+“缺陷”，其中“均布弯矩”是通过等效弯矩系数来近似等效，而轴向压力下的问题与轴压构件理论相同。那么压弯构件稳定的验算公式是如何推导的呢？其实与轴压构件的公式是一样的，只是多了一项初始的横向弯矩。我们可以将它推导为钢结构规范的公式，因为N=Nx=A*fy*fi(稳定系数)，Ncr=Ne/rR,rR为钢材的分项系数1.1，为了简化轴压下的稳定系数取为0.8，那么上面的式子就可以转化为规范的设计公式了。所以轴压问题是稳定的最基本问题，研究好了轴压，理解了内力和位移的“放大系数”，那么其他问题的思路都是一样的。
　　
　　结语
　　钢结构稳定问题是很复杂的,尤其当构件存在初始缺陷、残余应力以及非线性因素的影响时,就更增加了解决稳定问题的难度。另外,在工程结构稳定性的研究领域中,还存在很多尚未解决的难题。比如:大跨度桥梁、大跨度薄壳、大跨度大空间网壳、高层与超高层建筑结构的双重非线性动力稳定性等问题。只有深入研究并解决这些难题,钢结构稳定设计理论才会不断地完善。
　　
　　参考文献：
　　[1]田兴运.钢结构稳定的概念设计[J].工业建筑,2008,(S1).
　　[2]夏维明.钢结构稳定设计的探讨[J].安徽建筑,2008,(03).
　　[3]孟繁家,刘健楠.钢结构稳定设计的探讨[J].林业科技情报,2008,(03).