钢结构稳定设计浅谈.pdf

6 江苏建筑 2 0 1 1 年增 刊 总第 1 4 4期 钢结构稳定设计浅谈 白 家铭 。 ． 段 宁 中 日友 好 医院 基建 处 ， 北 京1 0 0 0 2 9 ； 江苏 省 建筑 科学 研究 院有 限公 司 。 江苏 南京2 1 0 0 0 8 [ 摘 要] 文章通过对受压构件、 受弯构件失稳的分析， 探讨了不同类型构件失稳变形的特点， 以及构件间的约束关系对 构件稳定性的影响、 构件 的稳 定性对 结构稳定性 的影响。总结 了 钢结构设计规范 G B 5 0 o 1 7 2 0 0 3 中稳定计算公式的适用 条件 。 以及规范未涉及 到的一些问题 的分析 方法。 [ 关键词】 钢结构； 稳定； 整体性； 约束； 计算长度 [ 中图分类“ ] T U 3 9 1 [ 文献标识码】 A[ 文章编1 1 0 0 5 - 6 2 7 0 1 2 0 1 1 0 6 - 0 0 1 6 - 0 3 Di s c us s i o n o n St ab l e St e e l St r u c t ur e De s i g n Ex pe r i e n c e B AI J i a - mi n g DUAN Ni n g 1 ． I n f r a s t r u c t u r e D e p a r t me n t o f C h i n a - J a p a n e s e F r i e n d s h i p Ho s p i t a l B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 C h i n a ； 2 ． J i a n g s u R e s e a r c h I n s t i t u t e o f B u i l d i n g S c i e n c e C o ． ， L t d ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 8 C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e u n s t a b i l i t y a n a l y s i s o f c o n s t r u c t i o n me mb e r s a n d fl e x u r a l me mb e r s ， t h i s p a p e r d i s ． c u s s e d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f d i f f e r e n t t y p e s o f u n s t a b l e d e f o r ma t i o n ， h o w t h e c o n s t r a i n t r e l a t i o n s h i p b e t we e n c o mp o n e n t s a f f e c t t h e t h e i r s t a b i l i t y 。 a n d h o w t h e c o mp o n e n t s t a b i l i t y a f f e c t t h e s t ruc t u r a l s t a b i l i t y ． We s u mma ． r i z e t h e a p p l i c a b l e c o n d i t i o n s o f s t a b i l i t y c a l c u l a t i o n f o rm u l a i n t h e” S t e e l 一 r 0 r k De s i g n S t a n d a r d ”f GB 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ， a n d o t h e r a n a l y t i c a l me t h o d o l o g y n o t i n v o l v e d i n t h e s t a n d ard ， a s r e f e r e n c e f o r d e s i g n o r s ． Ke y wo r d s s t e e l s t ruc t u r e ； s t a b i l i t y； i n t e g r i t y ；c o n s t r a i n t s ； l e n g t h c a l c u l a t i o n O引 言 在各类钢结构 中 。保持稳定性 往往是钢结构设计过程 中的重要 问题 。钢结构建筑 史上因失稳造成的事故是不胜 枚举 的。 早在 1 9 o 7年 ， 加拿大境 内魁北 克大桥首次建造时 ， 就发生了坍塌事故 。 重达 9 0 0 0 t 的钢桥全部坠毁。原因是 格构式弦杆 的缀条过 于柔 弱 ，不 能把 各个 分肢组成具有 足 够抗弯刚度的整体杆件 而率先失稳 ， 造成钢桥破坏 。 钢结构失稳 的主要原 因在 于钢材 强度高 ，与混凝土结 构相 比， 对于充任相同受力功能的构件 ， 钢结构具有构件细 长和板件纤薄 的特点 。因此 ， 在压力作用下 ， 钢构件有可能 失稳 。 因此 ， 在 钢结 构设 计中 ， 除 了强度计算外 ， 还要进行整 体稳定和局部稳定计算 ， 避免钢结构失稳 。对于荷载 轻 、 跨 度小 、 高度低 的轻钢结 构 。 可以利用 板件屈 曲后强度 ． 如我 国的 门式 剐架轻型房屋钢结构技术规程 。本 文主要从 防 止钢结构失稳 的角度 ，总结 了规 范中稳定性计算的适用条 件以及规范 中为明确或未涉及 的一些 问题 的分析方法。 l 钢结构稳定 问题 的特点 1 多样性 钢结 构设 计过程 中， 凡是结构或构件的受压部位 ， 都必 须考虑其稳定性。从构件到连接构件的节点板等都存在稳 定性 的问题。 超静定子结构依附于主结构 ． 主结构的变形可 能使子结构 中构件的拉压情况发生变化 。轴 心受 压构件常 见的屈曲形式是弯 曲失稳 ，其屈 曲形式还有可能 是扭 转失 稳或弯扭失稳。 2 整体性 结构 是由构件组成的整体 ，某一个构件发生 失稳变形 后 ， 会牵动与其 刚接 的其 它构 件。因此 ， 结构 中构件 的稳定 性不 能以其作为独立构件来分析 ，而应 当考虑其 它构 件对 它的约束 ， 这种 约束作用 要从 结构的整体性分析确定 。 整体性还 体现在结构稳定性与构件稳定性之 间的关系 上。 由于结 构中的构件之间不是相互独立 的。 构件 的稳定性 是 相关 的。所 以 ， 在分析结构稳定性 时 ， 不能认为结 构 中的 构件满足稳定性要求， 结构就能满足稳定性要求。 3 相关性 单轴对称 的轴 心受 压构件在平面外失稳时 ，发生 既弯 又扭 的变形。 单 轴对称的受弯构件绕对称轴失稳 时 ． 在平面 外发 生既弯又扭的变形。 2 与钢 结构稳定性相关的因素 1 结 构计算简图 过篁 垡塑 结塑笪图廑 实际结构一致。 因此， 连 [ 收稿日 1 1 2 0 1 1 - 0 7 0 8 ‘ 【 作者简介】 自 家 铭 ， 中 眩好 医 院 基 建 处 ， 工 程 师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 1 年增刊 总第 1 4 4期 l 7 接 节点 设计应严格按照规范要求 ， 尤 其是刚性 节点。 但 在稳 定验算 时 ，应考 虑刚节点的非完全刚性 ，适 当放大计算长 度 。 2 结 构布置方案 处理 门式钢架 、 桁架 、 塔架的平面外稳定时应 注意实际 的结构 体系布置 ． 是否确实 能为 节点 提供 平面外 位移约束 。 如 门式 刚架 屋面支撑系统 中交叉斜杆可用柔性系杆 ，而垂 直 系杆一定要用 刚性 系杆 ，以此来保证能够为刚架提供平 面 外支点。单独柔性 系杆 因线刚度较小 ， 比较 柔弱 ， 则 不能 提供平 面外支点 。 3 细部构造设计 简支梁 的不 动铰 支座对截 面强度而言 ，仅要求支座能 约束沿垂直梁轴线 的竖向线位移使梁端在梁受弯平面 内能 自由转 动．即可。 而 对于构 件稳定而言 ， 还需要 约束 梁端 绕梁 轴线 的转 角位移。 结构 的稳定性不 仅需 要通过计算来保证 。还需要从结 构布置 和构造设计 两方面来配合。 3失 稳 的 脆 性 特 征 与截 面强度 破坏相同 ，构件失稳也有延性和脆性 两种 特征 。 对理想直杆施加 的荷 载达到临界荷载后 ， 构件发 生失 稳变形 ，如果要使构 件的变形继续增大还需要更大的荷载 或荷载保持不变 ， 也就是说构件失稳后荷载不下降 ， 这种情 况就是延性失稳 ． 否则就是脆性失稳 。 4轴心受压构件的稳定性 稳定系数 曲线是 在考 虑构件初弯曲和截面残余应力 的 条件下 ， 根据不用截面类型轴心压杆 的临界荷载确定 的。 残 余应力主要与构件截 面类 型和成型方法有关。不同类型 的 截面会有不 同的残余应力 分布 类 型相同的截面成型方法 不同， 也会有不同的残氽应力分布。 因此 ， 在结构设计过程 中， 应该 对所 采用构件的残余应 力分布或者是界 面类 型和成型方法做到心中有数 ，避免错 用稳定 系数 。 5 轴 心压 杆的计算长度 轴心压杆计算长度 的物理 意义 将 具有端部约束 的杆 件换算成截 面相 同的两端 铰支杆的长度 。 轴心压杆 的约束类型 自由端 、 铰支座 、 定 向滑动支 座、 固定端 。 由于轴心压杆 的实 际约束条件不 可能完全理想 ，如 固 定端不可能做 到完全 没有角位移 ，所以要对不同约束条件 下 的计算长度 系数进行修 正 ，以考虑杆件端部的非理想约 束 。 如存在固定端的构件 ， 其计算长度系数实用值一般要 比 理论值稍大 ， 以考虑固定端不能做到完全 固定 。 存在铰支座 的构件通常不必考 虑铰 支座的不能完全 自由转动 。 刚性连接 的轴心构件 由于线 刚度 的不同 ，彼此存在着 约束 。验算构件稳定性 时 应该考虑构件间的约束作用 ，． 而 不应该简单地取构件 几何 长度 作为计算长度 。如柱平面外 计算长度取决 于支撑结构 的布置。支撑结构使柱在平面外 得到侧向支撑点 ， 特殊情况下 ， 支撑 点可以看 做变形曲线的 反 弯点 ． 并取支撑点间的距离为柱的计算长度 。 但一般情况 下 ． 支撑点间各柱段的长度有可能不 同， 如果各段 柱截 面和 轴 心压力相 同 ，线 刚度大 的柱段将 对线 刚度小 的柱段提供 约束 。 使线刚度小 的构件反弯点 出现在构件几何长度之 内 。 失稳推迟 ；使线 刚度 大的构件 反弯点出现在 构件 的几何长 度 之外 ， 失稳提前 。 图 1 工 工 工 工 ／ 图 1 排架柱绕弱轴弯 曲届 曲 5 ． 1 设有 支撑 的轴心受压柱平 面外计算长度 系数 在绕强轴弯 曲的平 面内， 将 柱简化成悬臂柱 ， 柱计 算长 度 系数 可取 2 ． 0或 2 ． 1 。 在绕弱轴弯 曲的平面 内， 将柱脚 约束 简化 成铰接支座 ， 在此方 向设有强支撑 。 将柱分为上下两段 ， 分别验算其绕弱 轴 弯曲的稳定性 。 由于钢柱截 面比较 大， 最初分析上下段柱 的计算 长度系数 时 ， 仅简单地 将上段柱 的计算长度 系数 取 为 2 ． 0 ， 下段柱 取为 1 ． O ， 来分 别验算 两段柱 绕弱轴弯 曲的稳定性 。 经过分析 ， 发现这样做是不 可取 的。 首先 ， 上段 柱并非 悬臂柱 ， 在 轴心压力 Ⅳ作用 下 ， 上段柱发生 弯曲时 ， 其柱脚 B点 存在角位移 ， 反 弯点 在 B点 以下 ， 即上段 柱的 计 算长度 系数 2 ． 0 其次 ， 下段 柱并非 两端铰接 柱 ， 在轴 心 压力 Ⅳ作 用下 ， 下段柱发生弯 曲时 ， 其 顶端 B点 还存 在弯 矩 。 反弯点在 B点 以上 ， 即下 段柱的计算长度 系数 1 ． 0 。经 查 阅资料得知下段柱 的计算长度系数为 2 ． 7 1 ． 7 1 - k 0 -9 k - - a ／ ／ 1 ． 0 1 当 k 0 ． 3时 ， I x 1 ．4 6 ； 当 k -- - O ． 5时 ， 1 ． 7 8 。 可见 ， 对此结 构而言 ，仅仅盲 目地取构件的几何长度作为其计算长度是 相 当欠妥 的。 5 。 2 设有 2层不 等节 间支撑 的轴心 受压柱 的平 面外计算 长度 系数 图 2为设有 2层等节间支撑轴心受压柱 。在轴心压力 Ⅳ作用 下 ， 柱 发生 如图 2 b 中虚线 形状 的失 稳变形 。变形 后 的钢柱在 B点 的弯矩为零 ，即 B点是变 形 曲线 的反 弯 点 ， 曲率 为零 ， 可视为铰接 点 。因此 ， 钢柱可看 成两段两 端 柱 柱 A B 、 柱 B C。柱 A B与柱 B C均为两端铰 支柱 ， 因此计 算长度系数 均为 1 ． 0 。 图 3为设有 2层不等节间支撑轴心受压柱 。在轴 心压 力 Ⅳ作用 下 ， 柱发生如 图 3 b 中虚 线形状的失稳变形 。由 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 江苏建筑 2 0 1 1 年增刊 总第 1 4 4期 工 工 工 工 a b 图 2 设有 2层等节间支撑轴心 受压柱绕 弱轴 弯曲屈曲 工 工 工 工 a b 图 3 设 有 2层不等节间支撑轴心受压柱绕 弱轴 弯 曲屈 曲 a L 于柱 B C长度 a 小 于柱 A B长度 ￡ ， 在承受 相 同的轴 心压力 作用 时 ， 柱 B C对柱 A B存 在约 束作 用 ， 使柱 AB的反 弯点 处在其几何长度之 内，所 以柱 A B的计 算长度系数 1 ． 0 。经查阅资料得知柱 A B的计 算长度 系数 为 l 一 0 ． 3 1 k a ／ ／ 1 ．0 2 5 ． 3 设有静定 附属结构 的侧 移框 架或刚架 实际工程 中， 有时需要将部分结构设计成静定结 构 ， 使 其 附属 于主体结构 ， 如主结构外部 的披屋 、 主结构 中的摇摆 柱等 。 这些附属结构 。 由于属于静定结构 ， 而不能为主体结构 的抗侧力提供 帮助。 但 当主体结构发生侧移时 ， 附属 结构 由 于承受竖 向荷载 ．在 二阶效应的影响下反倒会加速 主体结 构发生侧移 而失 稳。 图 4中框架前两跨 为主体 结构 。 第三跨为 附属结构 。 主 体结构 发生侧移变形 时 。附属结 构承受 的竖向荷载 N 4会 使 主体结构 的侧 移增 大 ， 失稳提前 。 图 5中主刚架 为主体 结构 。 摇摆柱为 附属结构 。 主刚架 发生侧 移变形时 ．摇 摆柱承受 的竖向荷 载 N 4也会使 主刚 架侧移增大 ， 失稳提前 。 因此应对设有静定 附属结构 的侧 移框 架或刚架等侧 移 结构 中柱 的计算 长度系数适当放大 ， 以考 虑这 种影 响。 ,y 1 I I I I ； f 厂～一一～ - 7 ～ 一一7 一 ～7 {||| ／t { ／ ／ | i|| H 1 “ 4 H H 图 4设置摇摆柱 的框 架 H H H 图 5设置摇摆柱的门式钢架 在分析压 杆端 部所 受约束时 ， 应依 照以下 原则 1 与所分析压杆直接相连 的枰件约束作 用大 ， 距 离远 的杆 件约束作 用小 。 2 杆件约束作用 的大小 ， 与它的线刚度有关 。 与所分析 压杆 相 比。 约束杆件 的线 刚度越大 ， 它 能提供 的约束 作用越 大。 3 杆件约束作用 的大小 ， 还 与它的内力性质有关 。 约束 杆件 受拉 ， 使其 自身弯 曲刚度增 大 ， 因而能对与其 刚接 的压杆提供更大的约束作用 。 约束 杆件受压 ， 使其 自身弯曲刚度减小 ， 因而对与其 刚 接的压杆提供的约束就 比较小 。在约束杆件 的设计 余量不 多 ， 即接 近用 足的情 况下 ， 约束杆件不但不会对 与其刚接 的 压杆提供约束 。反而会对于其刚接 的压杆起 到加 速失稳 的 反作用 ， 使其 失稳 提前 。 6受弯构件 的整体 稳定 受弯构件的整体失稳不 同于轴心受压构件 ，它只有一 种失稳方式 。 对工字形截 面粱来讲 ， 发生整体失稳 的原 因主 要是受压翼缘及与其相邻的一部分腹板像轴心压杆一样 ， 在逐渐增大的压应力作用下 刚度下 降 。当刚度 下降到不 能 下转第 6 9页 ● 7 Ⅳ T Ⅳ f 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 1 年增刊 总第 1 4 4期 该教堂加 固竣工后重新投入使用 ， 到 目前为止 ， 地基和 结构稳定 ． 状态 良好。 4结 语 自应力小直径钢管组合桩①具有核芯混凝土或砂浆早 强、 高强 、 密实性好等特点； ②可以补偿核心混凝土或砂浆 硬化产生 的收缩 和徐 变 ，避免 收缩 和徐变所 引起的混凝土 应力松弛现象； ③能对地基土体进行有效的注浆加固， 改善 地基土的力学性能； ④可以解决工程中浇筑困难等缺点， 施 工简便， 保证浇筑质量 ； ⑤其承载力较普通钢管混凝土桩可 得到一定程度的提高； ⑥经济合理， 材料成本与普通混凝土 或砂浆基本相 同。 综合造价有所 降低 。 自应力小直径钢管组 合桩应 当在地基基础加 固工程 中大力推广使用 。 上接第 1 8页 维 持原 来的平衡位形时 ，将发生弯矩作用平面外 的弯扭屈 曲。 支座支 撑条件对梁整体稳定的影响 在分 析简支梁的强度问题时 ，仅要求支座能约束 沿梁 轴 线的线位移并且使两端能在梁受弯平 面内绕支 座 自由转 动 即可。 分析简支 梁的稳定 问题时 ， 除上述条件外还需要 约 束梁端 绕梁轴线的转角位移 。如 吊车梁梁端与柱 的连接节 点 ， 见 图 6 。 图 6吊车梁梁端上翼缘侧向支点 如果 简支梁支座处未受到足够约束 ．梁上翼缘 的 自由 长度将会变长 ， 造成计算结果偏 于不安全。 如果受 使用要求 等制约 ， 无法设置侧 向支撑 。 则至少应在梁端设置支座加劲 肋 ， 如图 7 。 、 ／ l ／ _ 图 7 简支梁支座处加劲肋 7 压 弯构件的稳定性 压 弯构件 可以发 生与轴心受压构件 一样 的平 面内弯曲 屈 曲 ， 也可以发生与受弯构件一样的平面外弯扭屈 曲。 与受弯构件相 同．压弯构件也需要保证构件 端部绕梁 轴线的转角位移受到足够 约束 。工程中有时需要 将柱的端 部做成可适应节点竖向线位移的连接形式 。只以腹板与其 它构件相连 。 大大降低 了柱的稳定性 。 8结构布置及细部构造设计 1 支座 约束 、 构件端部 局部削弱 如次梁 或柱切 掉部 分翼缘 受 弯构件 、压弯构件端部一定要具有足够 的绕轴线转 动约束。 梁柱 连接处 、 主次梁连接处 。 尽量避免 切削翼缘 ， 如 节点连接方式中的切掉梁端上下翼 缘 。 只 以腹板与柱连接 。 2 柱间支撑的合理布置 柱 间支撑尽量要 与柱 的剪心在 同一平 面内 。如果 不在 同一平面内 ．柱 间支撑可能会使柱 由弯曲失 稳变 为弯扭失 稳 ． 稳定承载力降低 。 3 附属结构 如果要在 主体结构上 附加 附属结构 ．则尽量 不要 将附 属结构做成静定结构。 附属结构若做成静定结构 ， 则尽量设 置柱问支撑为其提供抗侧 移刚度。 参考文献 【 1 ] 陈绍 蕃． 钢 结构稳 定设计指 南【 M】 ． 北京 中13 t 建 筑工业 出版 社 ． 2 0 0 4 ． [ 2 】 陈骥 ． 钢 结构稳 定理论 与设 计[ M】 ． 4版． 北京 科 学 出版 社 ． 2 0 0 8 ． 【 3 】 陈绍蕃 ， 顾强． 钢 结构基础【 M 】 ． 北京 中国建筑 工业 出版 社 ． 2 0 0 3 ． [ 4 1 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3钢 结构设 计规 范【 S 】 ． 北 京 中 国计 划 出 版 社 ． 2 0 0 3 ． 【 5 】 龙驭球 ， 包世 华． 结构 力学【 M】 ． 北京 高等教 育 出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 6 ] 苏翼林． 材料力 学[ M】 ． 天津 天 津大学出版社 ， 2 0 0 1 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m