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1、1999年6月西北建筑工程学院学报Jun.1999第2期J.ofNWInst.ofArch.Eng.No.23钢结构相关屈曲的理论发展郑宏(建筑工程系)摘要钢结构屈曲是造成结构丧失承载力的重要原因,从单纯考虑整体或局部屈曲发展到考虑局部—整体相关屈曲是研究的重大突破.回顾相关屈曲的研究历史,分析研究现状,展望未来的发展方向,是研究工作可持续发展的重要环节.关键词局部与整体相关屈曲;钢构件;薄壁构件;理论发展中国图书资料分类号TU391现代钢结构为了充分利用钢材的优良性能而大量使用薄壁构件,而构件在荷载作用下屈曲导致结构丧失承载力的事故时有发生.1969～1
2、971年间,世界上4座钢箱梁桥在施工中由于翼缘板局部屈曲,引起整桥倒塌,其主要原因是对板件在整体结构中的实际工作情况[1][2]认识不足.1988年太原1312m×17.99m网架因结构失稳而塌落.事故的多次发生昭示人们,屈曲问题是钢结构研究和设计的重要内容.常见的薄壁构件屈曲有3种模式:构件的整体屈曲、板件的局部屈曲及局部与整体相关屈曲.对板的局部屈曲及构件整体屈曲问题的研究已趋成熟,至今,不仅理想状态下各种受力构件的弹塑性屈曲分析方法不胜枚举,而且考虑残余应力、几何缺陷的板件及构件的屈曲[3,4]分析方法层出不穷;但没有考虑构件整体屈曲与板件局部屈曲的
3、相关作用,故引发如下问题:(1)过高估计构件局部承载力,造成一些结构整体破坏,如前述的钢箱梁桥因翼缘板局部屈曲而整体破坏;(2)薄壁构件按局部屈曲与整体屈曲的临界荷载相等设计,通常被认为[5][6][7]是最优设计,然而Koiter、VanderNeut、郭彦林等人的研究均表明,按“等稳定性”设计的薄壁构件对初始缺陷敏感,使稳定极限承载力下降;(3)薄壁构件的静力屈曲分析应客观地考虑板件局部与构件整体屈曲的相关作用,对地震作用(循环荷载作用)下的薄壁构件也存在同样的问题,且影响因素更多,分析愈加复杂.1局部与整体相关屈曲的理论发展本文主要就两方面论述钢构件
4、局部—整体相关屈曲研究的理论发展和现状.3国家自然科学基金资助课题(59678030)收稿日期:1998211226作者:男,1964年生,博士生2西北建筑工程学院学报1999年111局部与整体静力相关屈曲的理论成就11111局部与整体弹性相关屈曲钢构件局部与整体弹性相关屈曲的理论分析主要有近似法和数值法两大类.[8]近似法的基础是有效宽度法,即根据短柱截面有效宽度概念和公式,结合柱稳定承载力公式确定极限荷载.采用有效宽度法计入板件局部屈曲对整体稳定的影响,体现了局部与整体屈曲的相关关系,但并不全面,因为整体构件对其组成部分也有反作用.实际构件存在初始缺陷
5、,整体与局部相关屈曲的关系为整体缺陷促使局部提前屈曲,局部屈曲反过来又使整体较早丧失承载力.[9]数值方法主要有有限元和有限条法.Rajasekaran等人用有限元方法研究了宽翼缘钢梁柱弹性相关屈曲问题,分析结果表明,对弹性范围内的宽翼缘截面,局部与整体相关作用[10]不明显;Johnson等人用有限元法研究了工形梁考虑横截面畸变效应的侧扭屈曲问题,其[11]方法可以处理任意荷载和边界条件.Hancock用有限条法分析了简支工形梁弯矩作用平面内的局部与整体相关屈曲,有限条法虽不如有限元法具有一般性,却可以降低计算量.上述局部—整体弹性相关屈曲研究表明,当不
6、计初始缺陷时,相关作用不明显,这一结论为相关屈曲深入研究奠定了基础.11112基于渐近理论的相关屈曲[5]Koiter根据稳定性的能量准则,以分支点附近足够小邻域为研究对象,利用摄动法讨论了初始缺陷对结构后屈曲行为的影响,提出了非完善结构的稳定性一般准则.[6]VanderNeut分析了轴压薄壁柱的局部与整体屈曲模式的相互作用,指出单独的局部屈曲和整体屈曲都是稳定的,但当两者相互作用时则变为不稳定,表现出对缺陷敏感.[12]有限元法是分析较复杂结构的有效方法.朱慈勉等人提出了混合有限元模型,把平面壳单元、杆单元及线单元联合用于薄壁柱的非线性分析,考虑了柱的
7、初挠曲、板件的初弯[13,14]曲和残余应力的影响,分析结果与Usami等人对薄壁箱形截面柱的试验结果相吻合.[5][16]Benito、Sridharan等人用有限条法结合Koiter渐近分析中的模式相关理论,对薄壁结构的局部与整体相关屈曲的研究结果表明,无加劲板的工形截面的缺陷敏感度比有加劲的严重,宽加劲板的缺陷敏感度与加劲的长细比成正比,以弯曲为主的整体屈曲会出现不稳定的过屈曲.综上所述,钢构件的局部与整体静力相关屈曲研究已有较大发展,特别是进入20世纪末,在力学模型、分析方法、试验分析等方面的研究成果常见于国内外各种学术刊物.另外,对结构在循环荷载
8、作用下的相关屈曲研究也日益受到关注.112循环荷载下局部与整体相关
