关于对钢结构稳定性设计的讨论

摘要:本文从分析钢结构稳定性设计的原则出发,探讨了钢结构稳定性设计的特点,并提出了设计中应把握的难点。

关键词:钢结构 稳定性 设计

一、钢结构稳定性设计的原则

1、结构整体布置必须必须兼顾整个体系以及组成部分的稳定性要求

我国目前钢结构设计大多都是以平面体系设计为主,设计中的结构体系是结构各组成部分构件构成的。因此在大跨度结构稳定性设计中,结构局部稳定性是保证整体稳定性的关键前提。在设计中需要注意结构各组成部分构件的整体布置,设计有针对性的支撑构件,来保证平面结构构件的结构布置与平面稳定计算之间的一致性。

2、结构计算简图和实用计算方法所依据的简图保持一致

目前设计单层和多层框架结构时,一般以框架柱的稳定计算为准,而不作框架稳定分折。在采用这种方法时,必须通过框架整体稳定分析计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数,才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。但是在实际设计工程中,这种操作方法简便。GBJl7-88规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定中包括:“框架中所有柱子是同时丧失稳定的,即各柱同时达到其临界荷载”。根据这条假定,当设计单层或多层框架结构时,框架各柱的杆件稳定和稳定参数计算的常用方法是依据一定的简化假设或者典型情况得出的,保持结构参数计算方法与前提假设和具体计算对象一致,设计者需确认所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。

3、设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合

设计者处理构造细部时要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接,应分别赋与它足够的刚度和柔度,对桁架节点应尽量减少杆件偏心。但是,当涉及稳定性能时,构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如,简支梁就抗弯强度来说,对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移,同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转,同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲,以符合稳定分析所采取的边界条件。

二、钢结构稳定性设计的特点

钢结构稳定性设计的重点在于找出结构内部抵抗力与外荷载间的不稳定平衡状态。主要从下面几个特点进行设计:

1、计算临界荷载:临界荷载是理想构件平衡路径分支点所对应的载荷。钢结构稳定问题中有一类分支点失稳问题,即完善平板中面受压时的屈曲以及完善直杆轴心受压时的屈曲。这一问题是由建筑钢材做成的偏心受压构件在弹缩性变形时丧失稳定的能力造成的。因此在钢结构稳定性设计中要求得钢结构的临界荷载,避免分支点失稳。根据临界荷载的定义,通常按以下两个基本原理求得临界荷载:①建立构件在微曲状态下屈曲位移与荷载间的微分方程,求其在满足边界条件下的临界载荷解。②在构件微曲状态下建立以屈曲位移和载荷的总势能式:E=U+V(U为变形体应变能;V为外力势能,它等于外力功的负值),然后根据能量法原原理,由总势能一次微分为零,即E0=0的条件可求得临界荷载。

2、失稳和整体刚度:现行规范通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法,临界压力是由著名欧拉公式给出的:

,式中E为钢材料特性,I为截面特性,L 为杆的长度。它表明轴心受压的杆件,压力使杆件的弯曲度下降,而当压力达到临界值NE时,杆的弯曲度就会消失。

3、对稳定性进行整体分析:必须从整体着眼进行稳定分析,因为杆件的稳定性来自结构的整体稳定性。

4、二阶弹性分析:这种分析对柔性构件尤为重要,这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响。可按照以下步骤完成:

(1)根据《规范》得,应在每层柱顶附加考虑由下式计算的假想水平力Hni:

其中,Qi为第i楼层的总重力荷载设计值; ns为框架总层数,当0.2+1/ns>1时,取此根号值为1.0;αy为钢材强度影响系数,Q235钢为1.0,Q345钢为1.1,Q390钢为1.2。

(2)①对有侧移的纯框架结构,当采用二阶弹性分析时,各杆杆端的弯矩MⅡ可按下式近似计算:其中MⅠb为假定框架无侧移时按一阶弹性分析求得的各杆端弯矩;MⅠs为各节点侧移时按一阶弹性分析求得的各杆端弯矩;

为考虑二阶效应第i层的侧移弯矩增大系数。

②对于有侧移的纯框架,当采用二阶弹性分析方法计算内力,且在每层柱顶附加假想水平力Hni时, P―Δ效应已在内力分析中计入,柱计算长度系数取1.0,因此柱稳定计算的计算长度就可取其几何长度。

(3) 在解决了以上问题的基础上,根据压弯构件稳定性验算公式进行稳定性设计验算:

三、钢结构稳定性设计中的难点

1、目前梁-柱单元理论已成为网壳结构稳定性的研究中的主要研究工具,但是梁-柱单元并不能确保真实反映网壳结构的受力状态,因此如何反映轴力和弯矩的耦合效应是目前网壳结构稳定性设计中的主要问题。

2、目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围,而在实际工程中,由于如材料(弹性模量,屈服应力,泊松比等)、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等不确定性会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、跳跃型失稳、干扰型屈曲等问题的研究。

3、在统计与稳定性有关的几何量和物理量时,一般只是根据有限样本来选择概率密度分布函数,带有很大程度上的统计信息局限性,造成对稳定性设计的数据依据不够准确。因此在统计时,要结合实践经验和相关规范确定统计信息的准确性。

四、总结

在实际设计中,设计人员应把握钢结构稳定性设计的原则,明确知道结构构件的稳定性能,完善设计方案,达到稳定性要求。同时针对结构构件的失稳的问题进行研究,不断完善钢结构稳定设计理论。

参考文献:

[1]雷丽颖. 浅谈钢结构稳定性设计[J]. 煤炭工程, 2010,(02)

[2]刘志海, 米涛. 钢结构设计中稳定性的探讨[J]. 黑龙江科技信息, 2009,(14)