钢结构稳定问题的概述

钢结构稳定问题的概述文章编号：1009-6825（2005）24-0076-02 钢结构稳定问题概述收稿日期：2005-08-20 作者简介：李达（1969-），男，1991年毕业于哈尔滨船舶工程学院工民建专业，工程师，太原理工大学阳泉学院，山西阳泉 045000 郑江（1971-），男，1994年毕业于太原理工大学冶金大专班工民建专业，工程师，阳泉市建筑设计院，山西阳泉 045000 暴育红（1971-），女，1991年毕业于长春建筑材料工业学校水泥专业，工程师，阳泉市建筑设计院，山西阳泉 045000 李达...

文章编号：1009-6825（2005）24-0076-02 钢结构稳定问题概述收稿日期：2005-08-20 作者简介：李达（1969-），男，1991年毕业于哈尔滨船舶工程学院工民建专业，工程师，太原理工大学阳泉学院，山西阳泉 045000 郑江（1971-），男，1994年毕业于太原理工大学冶金大专班工民建专业，工程师，阳泉市建筑设计院，山西阳泉 045000 暴育红（1971-），女，1991年毕业于长春建筑材料工业学校水泥专业，工程师，阳泉市建筑设计院，山西阳泉 045000 李达郑江暴育红摘要：介绍了钢结构稳定问题的基本概念和类型，分析了各种因素对结构和构件稳定性能的影响，总结了钢结构稳定设计的特点，从而使钢结构稳定理论设计不断完善。关键词：钢结构设计，随机因素，稳定中图分类号：TU391 文献标识码：A 处于平衡位置的结构或构件，在任意微小外界扰动下，将偏离其平衡位置，当外界扰动去除后，仍能自动回复到初始平衡位置时，则初始平衡状态即是稳定的平衡状态；若外界扰动去除后，不能回复到初始平衡位置，则初始平衡状态就是不稳定的平衡状态；随遇平衡状态则是从稳定状态向不稳定状态过渡的一种中间状态。稳定分析就是研究结构或构件的平衡状态是否稳定的问题。结构或构件由于平衡形式的不稳定性，从初始平衡位置转变到另一平衡位置，即称为屈曲（buckling），或称为失稳。从能量的角度来看，在变形结构及其外荷载的力学系统中必定存在一个总势能，如果它对于所有相邻状态的能量值来说是最小的，则可以判别基本状态是稳定平衡的。按照狄里赫里定理，在平衡位置上，势能有极值，而当势能有极小值时，平衡是稳定的；当势能有极大值时，平衡是不稳定的。随遇平衡状态，物体在平衡位置上势能没有极值。保证结构和构件的稳定，是钢结构设计的重要内容。结构的稳定问题同强度问题一样都属于承载能力极限状态［1］。二者的区别在于，强度问题是指结构或者构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力（或内力）是否超过材料的极限强度，因此是一个应力问题。稳定是一个变形问题，它所研究的是外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，因此，虽然二者的计算公式类似［2］，但是，强度问题研究的是一个截面（控制截面）的极限状态，而稳定问题实质上研究的是结构及构件的整体极限状态。 1 钢结构的稳定问题分类 1.1 具有平衡分岔的稳定问题（或称分支点失稳）如图1所示为理想状态中心受压直杆，当PPcr时，直线平衡是不稳定的。 P A P P C A O A Pc r Bl /2 l/ 2 图1 分支点失稳设直杆中点挠度为Δ，直线平衡状态为稳定平衡时，ΔE0；若直线平衡状态不稳定时，必出现弯曲平衡，此时Δ≠0。图中OA， OB 表示直线平衡，AC表示弯曲平衡。表示轴心受压直杆随荷载P的增加而取不同的平衡形式的OA，AB，AC线段称为平衡路径。平衡路径在A点发生分支，A点称分支点，该点的荷载值称为分支点荷载，即为Pcr。平衡路径OA 上的中心受压直杆处于稳定的直线平衡状态；AB是不稳定的直线平衡状态；AC是稳定的压弯平衡状态。分支点是直线平衡状态从稳定转变为不稳定的分界点。直线平衡失稳时，将存在轴向受压和压弯两种不同受力性质的平衡状态的可能，即发生平衡路径的分支。具有上述特征的失稳现象，称为分支点失稳［4］ ================================================== 。采用C30商品混凝土，泵送坍落度160mm~180mm，石子粒径5mm~25mm，中砂。采用两次布料两次振捣的方法，第一次布料至2／3肋高处，用小直径振动棒作业，使管子下面的空气排除干净，第二次布料至板面，肋部进行二次振捣，最后用平板振动器振捣。插入式振动棒不得直接触压管子。不可贪图方便而用一次布料一次振捣的方法。 5 结语对于现浇无梁空心楼板，经过了一次从设计到施工的实践，体会到此类结构性能优异，新颖独特，技术含量高，适用范围广。比一般梁板的施工，该工艺虽然增加了空心管的制作、验收、安装等工艺环节，但是施工难度和施工进度都是能够达到的，大跨度结构如果增加配置无粘结预应力钢筋，效果会更好。经拆模后，大跨度现浇无梁空心楼板的效果比较理想，室内空间利用率提高，顶棚平正无梁，有利于水平管线布置和提高建筑净空，综合经济效益较好，相信现浇无梁空心楼板的推广应用前景是十分广阔的。 Applicationoflargespancast-in-placebeaLlesshollowfloor ZHUXin-zhi Abstract：Itanalyzesdifferenceofcast-in-placebeamlesshollowfloorandtraditionalstructure，technicalfeaturesofcast-in-placebeamlesshol- lowfloorarediscussed，introduceskeylinkofconstruction，pointsoutitsforegroundisextensive. Keywords：cast-in-placebeamlesshollowfloor，thinwallhollowpipe，disturbingconcrete ·67· 第31卷第24期 2005年12月山西建筑 SHANXI ARCHITECTURE Vol.31No.24 Dec.2005 分支点失稳不仅发生于轴心受压直杆，圆环在均布径向压力作用下轴向受压状态的失稳，以及窄梁平面弯曲平衡状态的失稳等都属于分支点失稳问题。 1.2 无平衡分岔的稳定问题（或称极值点失稳）如图2所示偏心受压杆，在荷载开始作用时即保持弯曲形式的平衡直到临界状态终止，平衡路径分为OA 和AB两段。OA 段上的平衡状态是稳定的。下降段上AB的平衡状态是不稳定的。在平衡稳定阶段，其平衡形式只是原来平衡形式之下变形的加剧，没有出现不同变形状态的分岔点，只有极值点。故此失稳不属于分支稳定问题，因此称之为极值点失稳。 Δ P e P OA B Δ A 图2 极值点失稳 P u l/ 2 l/ 2 事实上当荷载加至A点时，杆件稍受扰动即由于平衡的不稳定性而立即破坏，故难以绘出下降段AB线。 A点称为极值点，所对应的荷载称为稳定极限荷载或压溃荷载，用Pu表示。因为没有平衡形式的改变，相比之下可见，分支点失稳带有突然性，而极值点失稳则不带有突然性［5］。极值点失稳的现象十分普遍，工程中存在的稳定问题大多数属于极值点失稳。如双向受弯构件和双向弯曲压弯构件发生弹塑性弯扭失稳都属于极值点失稳。实际工程中一般是将极值点失稳问题转化为分支点失稳来处理。通过引进某些参数来反映两者之间的差别［6］。区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。 2 影响钢结构稳定的因素在设计中一般都是把钢结构看成是完善的结构体系，事实上还有一些随机因素在影响钢结构的稳定性，一般情况下把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：如材料（弹性模量，屈服应力，泊松比等）、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。 2）统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏信息造成的。 3）模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。 3 钢结构稳定设计的特点 1）如前所述，同强度计算不同，钢结构的稳定牵涉到结构的整体，因此稳定分析是一个整体问题，要从整体着眼［8］； 2）强度计算可以采用一阶分析方法（firstorderelasticanaly- sis），但研究稳定问题时，必然要涉及结构和位移对内力产生的影响，即二阶效应（P—Δ效应），因此，对待结构的稳定问题，原则上都应该采用二阶方法，尤其对于侧移和竖向荷载较大的柔性结构，一阶分析的误差会很大，所以GB50017-2003中第3.2.8条规定，对于∑N·Δu ∑H·h >0.1的框架结构宜采用二阶弹性分析（sec- ondorderelasticanalysis）；如果要分析大变形、大挠度问题，则曲率要用更精确的表达式，此时曲率和位移导数之间不再存在线性关系，有人称之为三阶分析（thirdorderelasticanalysis）［3］； 3）在稳定计算中，无论何种结构都要针对变形后的位移进行分析，既然总要涉及变形，静定和超静定的区分就失去了意义，因为静定和超静定结构的划分是适应应力问题的需要而提出的； 4）叠加原理在稳定分析中不再适用，叠加原理的应用前提是弹性小变形，弹性稳定计算不能满足小变形的要求，而非弹性稳定计算则都不满足； 5）由钢结构轴心受压构件的整体稳定验算公式 N／（ФA）≤f［2］可知，稳定系数Ф与构件的长细比、钢材屈服强度及构件的截面形状有关，是用一阶分析加计算长度来近似处理稳定问题，它反映了实际构件（不是理想构件）的临界应力和材料屈服点的比值［7］。 4 结语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，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好的问题。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问题。只有深入了解这些问题，才会使得钢结构稳定理论设计不断地完善。参考文献：［1］GB50068-2001，建筑结构设计统一标准［S］. ［2］GB50017-2003，钢结构设计规范［S］. ［3］陈绍蕃.钢结构设计原理（第二版）［M］.北京：科学出版社， 2000.74-83. ［4］陈骥编.钢结构稳定理论与设计［M］.北京：科学出版社， 2001.38-45. ［5］永毓栋，王志骞.钢结构稳定性原理［M］.西安：西安交通大学出版社，1991.90-97. ［6］赵瑞兰，暴育红.浅谈钢结构住宅的发展［J］.山西建筑，2005 （5）：54-55. ［7］李达，暴育红.组合结构构件中连接件的设置［J］.山西建筑，2005（1）：41-42. ［8］马奇，罗志兵.钢结构稳定设计的探讨［J］.江西建材，2004 （2）：33-35. DiscussonstabilityprobleLsofsteelstructure LIDa ZHENGJiang BAOYu-hong Abstract：Thebasicconceptandtypeofstabilityproblemsofsteelstructureareintroduced.Baseduponanalysisofvariousfactorsinfluencing thestabilitythecharacteristicsaresummarizedforstabilitydesignofsteelstructureinordertoperfecttheoryofstabilityconstantly. Keywords：designofsteelstructure，randomfactor，stability ·77· 第31卷第24期 2005年12月李达等：钢结构稳定问题概述

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