淺析鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)研究.doc

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1、淺析鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)研究中石化洛陽工程有限公司河南洛陽471003【摘要】鋼結(jié)構(gòu)擁有極強(qiáng)的抗震性與穩(wěn)定性,但在其設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)關(guān)鍵性問題在于其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,若設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)問題,將會(huì)在很大程度上影響鋼結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量安全。實(shí)際上有太多的事故案例都是由于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致其失穩(wěn)所致,因此我們必須重視這一問題。木文探討了鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的基本原則,結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐談?wù)剬?duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的體會(huì)?!娟P(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)失穩(wěn)由于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中所存在的缺陷,因此,導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn),使人的牛命和財(cái)產(chǎn)安全受到威脅

2、。目前,隨著高層建筑量的增加,作為鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一,越來越多的設(shè)計(jì)者對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的考慮將更為突出。例如:位于加拿大的一座大橋在施工過程中由于受到懸臂受壓下弦失穩(wěn),導(dǎo)致9000t的鋼結(jié)構(gòu)全部掉入河中,造成75人遇難。由此可以得知,造成鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因是因?yàn)槠滗摻Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的不合理而造成,為了能夠避免事故的發(fā)牛,合理進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。1鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的基木概念鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的概念鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)主要是指在鋼結(jié)構(gòu)受到外界干擾的情況下能否恢復(fù)到最初的平衡狀態(tài)。在這種情況下,鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件逐漸從原始的平衡位置轉(zhuǎn)移到另一

3、個(gè)平衡位置的狀態(tài)。在這種情況的影響下,如果在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)了強(qiáng)度不足或失穩(wěn)的問題,在某種程度上都對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)造成了破壞。但在實(shí)際針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)時(shí),強(qiáng)度和穩(wěn)定的概念并不是完全相同的。1.2鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法在分析和計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性時(shí),是建立在外部負(fù)載作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的基礎(chǔ)上。外部負(fù)載作用和鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)都是非線性的,所以,鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析是幾何非線性分析問題。不管是“屈曲”或者“極限”,通過對(duì)鋼結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件的穩(wěn)定承載力計(jì)算可以當(dāng)作穩(wěn)定承載力。2結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)現(xiàn)象是豐富多彩、多種多樣的,但是就其性質(zhì)而言,可以分為以下三

4、類。2.1平衡分岔失穩(wěn)完善的(即無缺陷的、挺直的)軸心受壓構(gòu)件和完善的在中面內(nèi)受壓的平板的失穩(wěn)都屬于平衡分岔失穩(wěn)問題。屬于這一類的還有理想的受彎構(gòu)件以及受壓的圓柱殼等的失穩(wěn)。平衡分岔失穩(wěn)還分為穩(wěn)定分岔失穩(wěn)和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)兩種。2.1.1穩(wěn)定分岔失穩(wěn)按照結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析理論,結(jié)構(gòu)在達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí),從未屈曲的平衡位形過渡到無限臨近的屈曲平衡位形,即由直桿而出現(xiàn)微彎。此后,變形的進(jìn)一步增大,要求荷載增加。直桿軸心受壓和平板在中面受壓,都屬于這種情況。板的屈曲后強(qiáng)度比較顯著,在工程設(shè)計(jì)中往往可以利用。2.1.2不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)結(jié)構(gòu)屈曲后只能在遠(yuǎn)比臨界

5、荷載低的條件下才能維持平衡位形。屬于這種情況的有承受軸向荷載的圓柱殼和承受均勻外布?jí)毫Φ耐馇驓ぃ摻Y(jié)構(gòu)常用的綴條柱和圓柱殼很相似。薄壁型鋼方管壓桿也在一定條件下表現(xiàn)出類似特性。這種屈曲也叫做“有限干擾屈曲”,因?yàn)樵谟邢薷蓴_下,在達(dá)到分岔屈曲荷載前就可能由未屈曲平衡位形轉(zhuǎn)到非臨近的屈曲平衡位形。2.2跨越失穩(wěn)如圖1所示兩端較接較平坦的拱結(jié)構(gòu),在均布荷載作用下突然有撓度w,其荷載撓度曲線也有穩(wěn)定的上升段0A,但是到達(dá)曲線的最高點(diǎn)A后會(huì)突然跳躍到一個(gè)非臨近的具有很大變形的C點(diǎn),拱結(jié)構(gòu)頃刻下垂。在荷載一一撓度曲線上,虛線AB是不穩(wěn)定的,BC段雖然

6、是穩(wěn)定的而且一直是上升的,但是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞,故不能被利用。與A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載坦拱的臨界荷載。這種失穩(wěn)現(xiàn)象稱為跨越失穩(wěn),它既無平衡分岔點(diǎn),又無極值點(diǎn),但和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)又有某些相似的現(xiàn)象,都在喪失穩(wěn)定平衡之后又跳躍到另一個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。扁殼和扁平的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)也可能發(fā)??缭绞Х€(wěn)。3穩(wěn)定計(jì)算方法結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的分析方法都是針對(duì)著在外荷載作用下結(jié)構(gòu)存在變形的條件下進(jìn)行的,此變形應(yīng)該與所研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)出現(xiàn)的變形相對(duì)應(yīng)??傮w上來說,穩(wěn)定問題的計(jì)算方法有以下三種。3.1能量法如果結(jié)構(gòu)承受著保守力,可以根據(jù)有了變形的結(jié)構(gòu)的受力條件建立總的勢(shì)能,總的勢(shì)

7、能是結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能和外力勢(shì)能兩項(xiàng)之和。如果結(jié)構(gòu)處在平衡狀態(tài),那么總勢(shì)能必有駐值。根據(jù)勢(shì)能駐值原理,先由總勢(shì)能對(duì)于位移的一階變分為零,可得到平衡方程,再由平衡方程求解分岔屈曲荷載。根據(jù)小變形理論,能量法一般只能獲得屈曲荷載的近似解;但是,如果事先能夠了解屈曲后的變形形式,采用此變形形式作計(jì)算可以得到精確解。穩(wěn)定平衡時(shí)總勢(shì)能最小的原理稱為最小勢(shì)能原理。當(dāng)總勢(shì)能具有最小值時(shí),它的二階微分是正值,平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。這就是說,用總勢(shì)能駐值原理可以求解屈曲荷載,而用總勢(shì)能最小原理可以判斷屈曲后平衡的穩(wěn)定性。3.2動(dòng)力法處于平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系,如果施加微

8、小干擾使其發(fā)牛振動(dòng),這時(shí)結(jié)構(gòu)的變形和振動(dòng)加速度都和已經(jīng)作用在結(jié)構(gòu)上的荷載有關(guān)。當(dāng)荷載小于穩(wěn)定的極限值時(shí),加速度和變形的方向相反,因此干擾撤去以后,運(yùn)動(dòng)趨于靜止,結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的;當(dāng)荷載大

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