钢结构稳定问题的

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【摘 要】随着我国经济的发展和人们生活水平的提高,人们对居室环境的要求越来越高,具有优良性能的错列桁架钢结构房屋越来越引起人们的重视.特别在一些大城市,由于国外技术的引进和开发商的参与,钢结构结构房屋的建设成为一个新热点,大跨度、标志性的建筑很多都采用了此结构.本文分析了钢结构的稳定的特点、分类和判定准则.

【关 键 词】钢结构；稳定；准则

1.钢结构稳定基本概念和分类

钢材具有高强、轻质、力学性能良好的优点,是建造构筑物的一种极好的建筑材料.钢结构与钢筋混凝土结构相比,对于充当相同受力功能的构件,具有截面轮廓尺寸小、构件细长和板件柔薄的特点.对于因受压、受弯和受剪等存在受压区的构件或板件,如果技术上处理不当,可能使钢结构出现整体失稳或局部失稳或局部与整体的相关失稳.失稳前结构物的变形可能很小,突然失稳使结构物的几何形状急剧改变而导致结构物完全丧失抵抗能力.因此稳定问题是钢结构的突出问题.防止构件或结构的稳定破坏并非使它们的实际应力低于某规定值,而是要防止一种特殊的不稳定平衡状态发生.这种状态的特征是：当荷载仅有微量增加时,应变显著增长.可以认为：构件或结构的失稳破坏是它们内部抗力的突然崩溃,这就是钢结构屈曲现象的特征,不论发生破坏时构件的工作属于弹塑性或弹性工作阶段,破坏特性完全相同.由于结构或构件的失稳破坏比较突然,屈曲一旦发生,结构随即崩溃,因而远比强度破坏危险.这从很多实际工程事故实例中可以得到证实.因而从事钢结构设计的工作者们,对钢结构的稳定问题应予特别的重视,要掌握稳定问题的本质和规律以及正确的计算方法,从而避免工程中的失稳破坏.

2.钢结构稳定问题的特点

（1）多样性.钢结构的稳定问题普遍存在于钢结构的设计中,凡是结构的受压部位,在设计时都必须认真考虑其稳定性.有时,某一部位从表面上看来并未受压或主要不是受压,但仍然也会出现屈曲失稳问题.钢结构失稳,在形式上具有多样化特点.例如,轴心受压构件的弯曲失稳是最常见的屈曲形式.但它并非唯一的失稳形式,它还有可能出现扭转失稳和既弯又扭等多种失稳的形式.

（2）整体性.对于结构来说,它是由各个杆件组成为一个整体.当一个杆件发生失稳变形后,它必然牵动和它刚性连接的其他杆件.因此,杆件的稳定性不能就某一根杆件去孤立地分析,而应当考虑其他杆件对它的约束作用.这种约束作用是要从结构的整体分析来确定的,这就是结构稳定的整体性问题.

（3）相关性.稳定的相关性,指的是不同失稳模式的耦合作用.例如,单轴对称的轴心受压构件,当在对称平面外失稳时,呈现既弯又扭的变形,它是弯曲和扭转的相关屈曲.另外,局部和整体稳定的相关,还常见于冷弯薄壁型钢构件.其壁板的局部屈曲一般并不立刻导致整体构件丧失承载能力,但它对整体稳定临界力却有影响.对于存在缺陷的杆件来说,局部和整体之间相互影响更具有复杂性.组成钢构件的板件之间发生局部屈曲时的相互约束,有时也称为相关性[1].

3.稳定问题的分类

结构构件失稳的现象存在多样性,从性质上可分为三类：平衡分岔失稳、极值点失稳和跃越失稳[2].

3.1平衡分岔失稳

完善的（即无缺陷、挺直的）轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板的失稳都属于平衡分岔失稳问题.当压力P未超过一定限制时,构件保持平直,截面上只产生均匀的压应力.当压力达到一特定的限值PE时,构件会突然发生弯曲,由原来轴心受压的平衡形式转变为与之相邻的但是带弯曲的新的平衡形式.

3.2极值点失稳

偏心受压构件从一开始其侧移即随荷载的增加持续增大.其后由于塑性区的发展,侧移的增大愈来愈快.最后达到极限荷载Pu.此后,荷载必须逐渐下降,才能继续维持内外力的平衡.由此可见,这类稳定问题与平衡分岔失稳具有本质的区别.它的平衡状态是渐变的,不发生分岔失稳现象.它失稳时的荷载Pu也就是构件的实际极限荷载,故称为极值点失稳.实际的轴心受压构件因为都存在初始弯曲和荷载的作用点稍稍偏离构件轴线的初始偏心,因此其荷载挠度曲线也呈现极值点失稳现象.这种稳定问题的求解通常是考虑初始缺陷,设法找出荷载全过程的位移关系,求得荷载-位移曲线,包括曲线的上升段和下降段,从而得到极限荷载Pu.这个途径比较复杂,要同时考虑材料和几何非线性,很难求得闭合解,常用计算机进行数值分析求出近似解.

3.3跃越失稳

两端铰接较平坦的拱结构,在均布荷载q的作用下有挠度V,其荷载曲线也有稳定的上升段,但是达到曲线的最高点时会突然跳跃到一个非邻近的的具有很大变形点,拱结构顷刻下垂.在荷载挠度曲线上,有不稳定段,一直是上升的稳定段,但是因为结构已经破坏,故不能被利用.与最大变形点对应的荷载qcr是坦拱的临界荷载,这种失稳现象就称为跃越失稳.

4.结构整体稳定的判定准则

《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99-98）中,对于高层钢结构的整体稳定和判定准则有详细表述[3].这本规程明确提到结构整体稳定的概念,并指出其判定准则是层间侧移判定准则.对于非规则框架整体稳定判定准则综合起来有以下三个观点[4]：

荷载-位移曲线顶点判定准则.既当结构某层的荷载-位移曲线达到其顶点时,则认为此为稳定临界状态.

承荷极限判定准则.即当结构一定情况下,以缓慢的速度比例加载,达到其最大值时即认为此为稳定临界状态.

荷载-位移曲线斜率判定准则.当其曲线斜率为零时达到稳定临界状态.

【参考文献】

[1]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社,2004.9.

[2]雷丽颖.浅谈钢结构稳定性设计[J].煤炭工程,2010,2：16～17.

[3]中华人民共和国行业标准.高层民用建筑钢结构技术规程（JGJ99-98）[S].北京：中国建筑工业出版社,1998.

[4]王旭,张威等.钢框架整体稳定判定准则研究[J].科技创业月刊,2006,10（3）：230～232.

[5]瞿芹.错列桁架体系高层钢木混合结构整体稳定性研究.南京林业大学硕士学位论文,2012,06.

[6]潘英,周绪红.交错桁架体系的抗震性能动力分析[J].土木工程学报,2002（8）.

[7]康信江.交错桁架结构体系静力性能及设计方法的研究[D].2004,3.

[8]周绪红,莫涛,刘永健.轻钢交错桁架结构体系与钢框架的对比分析[J].钢结构,2001,16（2）：5～7.