第二章 钢结构的稳定问题概述-dy

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1、第二章钢结构稳定问题概述钢结构承载力极限状态的六种情况：（1）整个结构或其一部分作为刚体失去平衡（如倾复）；（2）结构构件或连接因材料强度被超过而破坏；（3）结构转变为机动体系（倒塌）；（4）结构或构件丧失稳定（屈曲等）；（5）结构出现过度的塑性变形，而不适于继续承载；（6）在重复荷载作用下构件疲劳断裂。在这些极限状态中，稳定性、抗脆断和疲劳的能力都对钢结构设计有重要意义。2.1钢结构的失稳破坏稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对这个问题处理不好，将造成不应有的损失。现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故，其中影响很大

2、的是1907年加拿大魁北克一座大桥在施工中破坏，9000t钢结构全部坠入河中，桥上施工的人员有75人遇难。破坏是由悬臂的受压下弦失稳造成的。下弦是重型格构式压杆，当时对这种构件还没有正确的设计方法。缀条用得过小是出现事故的主要原因。其他形式的结构，如贮气柜立柱，运载桥的受压上弦和输电线路支架等，也都出现过失稳事故。1设计经验不足、性能还不十分清楚的新结构形式，往往容易出现失稳破坏事故。大跨度箱形截面钢梁桥就曾在1970年前后出现多次事故。这些箱形梁设计上存在的主要问题之一是对有纵加劲的受压板件稳定计算没有考虑几何缺陷和残余应力的不利作用。认真总结失败的教训

3、，结合进行必要的研究工作，就能得出规律性的认识，以指导以后的设计。轴心压杆的扭转屈曲，是人们了解得还不多的一个问题。美国哈特福特城的体育馆网架结构，平面尺寸为92mx110rn，突然于1978年破坏而落到地上。破坏起因虽然可以肯定是压杆屈曲，但究竟为何屈曲还是众说纷纭。杆件的截面为四个角钢组成的十字形。这种截面抗扭刚度低，有人认为扭转屈曲是起因，也有人认为起支撑作用的杆有偏心，未能起到预期的减少计算长度的作用才是起因。文献[2.16]经过深入分析，阐明这两个因素都起相当作用，并提出了偏心支撑对增强压杆稳定性的计算方法。建筑结构用的钢材具有很大的塑性变形能力

4、。当结构因抗拉强度不足而破坏时，破坏前呈现较大变形。但是当结构因受压稳定性不足而破坏时，可能在失稳前只有很小的变形，即呈脆性破坏的特征。例如，由钢管组成的网架结构就有这种可能。图2.l为钢管受压时荷载和压缩变形的关系曲线，表现出脆性型的受压屈曲。用钢管做成的网架，当压杆决定结构承载能力时，其荷载和跨度中央挠度的关系曲线也表现脆性特征，如图2.2（a）所示。2脆性破坏具有突发性，不能由变形发展的征兆及时防止，所以比塑性破坏危险。按照国家标准《建筑结构设计统一标准）（GBJ68-84），脆性破坏的构件的可靠指标应比延性破坏者提高一级，即安全等级为二级的构件产值

5、由3.2提高到3.7。目前无论是钢结构设计规范还是网架结构设计与施工规定对此都还没有反映。有鉴于此，设计铰接杆系结构时，一般应该使拉杆控制设计。在出现超载时拉杆屈服先于压杆失稳，虽然拉杆屈服后会促成压杆失稳，拉杆的塑性未必能充分发展，但情况要好得多。图2.2（b）给出一个拉杆控制设计的网架的荷载挠度曲线，和图2.2（a）图明显不同，两图的试验曲线都是模型试验的结果。长细比不大的方管，受压时也可能是脆性破坏特征，主要是在杆件和壁板的临界应力都接近屈服点时有此现象。2·2失稳的类别多年来人们一直把钢结构的稳定问题分为两类：3（1）第一类稳定问题或具有平衡分岔的

6、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承载能力，属于这一类。但某些结构如坦拱，即使是完全弹性的，也没有平衡分岔（参看图2.5）。随着稳定问题研究的逐步深入，上述分类看来已经不够了。设计为轴心受压的构件，实际上总不免有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有偏心。因此，我们要真正掌握这种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也都有缺陷影响问题。这是一方面的深入，还有一方面的深入是构件

7、屈曲后性能的研究。并不是所有的构件都在屈曲后立即丧失承载能力。为了真正发挥各类构件的极限承载能力，就有必要研究构件的屈曲后性能。弹性稳定可以分为以下三类：（1）稳定分岔屈曲。结构在到达临界状态时，从未屈曲的平衡位形过渡到无限邻近的屈曲平衡位形，即由直杆而出现微弯。此后，变形的进一步增大，要求荷载增加。直杆轴心受压和平板在中面受压，都属于这种情况（图2.3）。板的屈曲后强度比较显著，在工程设计中往往可以利用。4（2）不稳定分岔屈曲。结构屈曲后只能在比临界荷载低的荷载下才能维持平衡位形。属于这种情况的有承受轴向荷载的圆柱壳（图2.4）和承受均匀外压力的全球壳，

8、钢结构常用的缀条柱和圆柱壳很相似。薄壁型钢方管压杆也在一定条件下表