东北农业大学水利与土木工程学院钢结构课件第三章

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1、第4章钢结构的可能破坏形式第一节结构的整体失稳破坏第二节结构和构件的局部失稳、截面的分类第三节结构的塑性破坏、应(内)力塑性重分布第四节结构的疲劳破坏第五节结构的损伤累积破坏第六节结构的脆性断裂破坏第七节防止钢结构各种破坏的总体思路钢结构设计的目的——做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。这些要求都必须在钢结构不发生破坏的情况下才能做到。第4章钢结构的可能破坏形式对于钢结构而言，除塑性破坏、脆性断裂破坏、疲劳破坏和损伤累积破坏外，还有由体系本身所引起的稳定破坏。因此，钢结构的可能破坏形式有如下

2、几种：结构的整体失稳结构和构件的局部失稳结构的塑性破坏结构的脆性断裂结构的疲劳破坏结构的损伤累积破坏等第一节结构的整体失稳破坏一、失稳的概念结构整体失稳破坏——指结构所承受的外荷载尚未达到按强度计算得到的结构强度破坏荷载时，结构已不能承担并产生较大的变形，整个结构偏离原来的平衡位置而倒塌。稳定的——结构在荷载作用下处于平衡位置，微小外界扰动使其偏离平衡位置，若外界扰动除去后仍能回复到初始平衡位置。不稳定的——若外界扰动除去后不能恢复到初始平衡位置，且偏离初始平衡位置愈来愈远。随遇平衡——若外界扰动除

3、去后不能回复到初始平衡位置，但仍能停留在新的平衡位置，则是临界状态。稳定性的定义由此可见，钢结构在失稳过程中，变形是迅速持续增长的，结构将在很短时间内破坏甚至倒塌。图4－1俄罗斯克夫达敞开式桥失稳破坏的状况二、失稳的类别特点——在达到临界状态前，结构保持初始平衡位置，在达到临界状态时，结构从初始的平衡位置过渡到无限临近的新的平衡位置，此后变形的进一步增大，要求荷载增加。结构在临界状态时出现这类现象称为结构的屈曲。由于结构在该时发生了平衡形式的转移，平衡状态出现分岔，因此也称平衡分枝。（1）欧拉屈曲这

4、类稳定问题最早由欧拉提出并加以研究，也有称为第一类失稳或欧拉屈曲的，相应的荷载值称为屈曲荷载、平衡分枝荷载或欧拉临界荷载。直杆轴心受压的屈曲属于这种情况。图4－2欧拉屈曲及极值型失稳的荷载—侧移曲线随着荷载的增加，结构变形也增加．而且愈来愈快，直到结构不能承受增加的外荷载。此时，荷载达到极限值。这类稳定问题也称为第二类稳定或压溃，相应的荷载值称为失稳极限荷载，也有称为压溃荷载的。压弯构件受压失稳属于这种情况，图4－2中也画出了它的典型的荷载—侧移曲线。（2）极值型失稳这类失稳没有平衡分岔现象。薄壁钢

5、构件中受压翼缘板和腹板的失稳属于这种情况，板件的极限承载力往往比其屈曲荷载大很多，有时可达许多倍，利用这种屈曲后强度具有十分重要的经济意义。图4－3分别给出四边支承平直板和微曲板受力至失稳时的典型的荷载—侧移曲线。这类失稳在开始时有平衡分岔现象，即发生屈曲，结构屈曲后并不立即破坏，还有比较显著的屈曲后强度，因此能继续承受荷载的增加，直到出现极值型失稳。（3）屈曲后极值型失稳。图4－3屈曲后极值型失稳的荷载－侧移曲线这类屈曲与屈曲后极值型失稳刚好相反，结构屈曲后其承载力迅速下降，因此结构如有初始缺陷在

6、受载过程中就会不出现屈曲现象而直接进入承载力较低的极值型失稳。（4）有限干扰型屈曲图4－4有限干扰型屈曲的荷载－纵向变位曲线这类失稳也称不稳定分岔屈曲，具有这类失稳类型的结构也称为缺陷敏感型结构。承受轴向荷载的圆柱壳的失稳就属于这种类型。特点——结构由初始的平衡位置突然跳跃到另一个平衡位置，在跳跃过程中出现很大的位移，使结构的平衡位形发生巨大的变化。承受横向均布压力的球面扁壳的失稳属于这种类型。扁壳失稳后跳跃到图中的虚线位置，并能继续承受大于失稳时的荷载值，这点在实际工程中并无意义。（5）跳跃型失稳

7、图4－5跳跃型失稳的荷载－挠度曲线三、结构稳定分析的原则结构稳定分析与经典的结构强度分析的主要区别在于以下几点：（1）必须考虑几何非线性影响。几何非线性可以包含众多非线性因素，需要根据研究对象的性质加以确定。在分析钢结构和钢构件的稳定性时，考虑的几何非线性有以下三种：第一种为位移和转角都在小变形的范围，但考虑结构变形对外力效应的影响。考虑这种几何非线性的分析方法也称为二阶分析。钢构件、钢框架和钢拱的整体稳定分析都采用这一方法。第二种为考虑大位移但转角仍在小变形范围。钢框架既考虑构件又考虑结构整体失稳

8、的稳定分析时可采用这一方法。第三种为考虑大位移和大转角的非线性分析。网壳结构的稳定、板件考虑屈曲后强度的稳定以及构件考虑整体与局部相关稳定时的分析应采用这一方法。（2）必须考虑材料非线性影响钢结构或钢构件失稳破坏时，一般都会进入弹塑性阶段，因此要了解钢结构或钢构件的真实失稳极限荷载，必须考虑材料非线性的影响。这样，稳定分析就需要采用双非线性即考虑材料非线性和几何非线性的分析方法，使稳定分析增加了很大的难度。（3）必须考虑结构和构件的初始缺陷。研究指出结构和构件的初始缺