簡(jiǎn)述鋼框架穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

朱麗娟 祁紅梅

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)突出問(wèn)題，在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中都會(huì)遇到，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題處理不好，將會(huì)造成不應(yīng)有的損失。目前，鋼結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)過(guò)的失穩(wěn)事故都是由于設(shè)計(jì)本身的經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定性能不夠清楚，對(duì)如何保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定缺少明確概念，造成一般性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不應(yīng)有的薄弱環(huán)節(jié)。

1 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的基本概念

1.1 強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)別

強(qiáng)度問(wèn)題是指結(jié)構(gòu)或者單個(gè)構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起的最大應(yīng)力(或內(nèi)力)是否超過(guò)建筑材料的極限強(qiáng)度，因此是一個(gè)應(yīng)力問(wèn)題。

穩(wěn)定問(wèn)題，主要是找出外荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開(kāi)始急劇增長(zhǎng)的狀態(tài)，從而設(shè)法避免進(jìn)入該狀態(tài)，因此，它是一個(gè)變形問(wèn)題。如軸壓柱，由于失穩(wěn)，側(cè)向撓度使柱中增加數(shù)量很大的彎矩，因而柱子的破壞荷載可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它的軸壓強(qiáng)度。顯然，軸壓強(qiáng)度不是柱子破壞的主要原因。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類

1)第一類穩(wěn)定問(wèn)題或者具有平衡分岔的穩(wěn)定問(wèn)題(也叫分支點(diǎn)失穩(wěn))。完善直桿軸心受壓時(shí)的屈曲和完善平板中面受壓時(shí)的屈曲都屬于這一類。2)第二類穩(wěn)定問(wèn)題或無(wú)平衡分岔的穩(wěn)定問(wèn)題(也叫極值點(diǎn)失穩(wěn))。由建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到一定程度時(shí)喪失穩(wěn)定的能力，屬于這一類。3)躍越失穩(wěn)不同于以上兩種類型，它既無(wú)平衡分岔點(diǎn)，又無(wú)極值點(diǎn)，它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另一個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

1.3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的原則

1)結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。2)結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖相一致，這對(duì)框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算十分重要。3)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合，使二者有一致性。

2 鋼框架穩(wěn)定性計(jì)算方法

2.1 計(jì)算長(zhǎng)度法

現(xiàn)行GB 50017-2002鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)利用計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)法對(duì)結(jié)構(gòu)中單個(gè)柱子穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，從而得出結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。規(guī)范將框架分為無(wú)支撐純框架和有支撐框架，當(dāng)采用一階彈性分析方法計(jì)算內(nèi)力時(shí)，框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μ按規(guī)范查表得出(《規(guī)范》5.3.3條)，也可以利用《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第6.3.2條近似公式計(jì)算。

1)有側(cè)移時(shí):

2)無(wú)側(cè)移時(shí):

其中，k1，k2分別為交于柱上下兩端的橫梁線剛度之和與柱線剛度之和的比值。

在有側(cè)移失穩(wěn)時(shí)，橫梁兩端的轉(zhuǎn)角大小相等、方向相反。缺點(diǎn):在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，梁、柱都存在彎矩和彎曲，并非都是理想的無(wú)初彎曲構(gòu)件，在查計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)表時(shí)，只考慮直接與柱子相連的橫梁約束作用，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是整層甚至是整個(gè)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，而不是單個(gè)柱子失穩(wěn)，而且，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件在柱子計(jì)算長(zhǎng)度的確定上經(jīng)常存在困難。

對(duì)于以上問(wèn)題，現(xiàn)在已有成熟的改進(jìn)方法:

《規(guī)范》5.3.6條規(guī)定:附有搖擺柱的無(wú)支撐框架柱和弱支撐框架柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)應(yīng)乘以增大系數(shù)η:

其中，∑(Nf/Hf)為各框架軸心壓力設(shè)計(jì)值與柱子高度比值之和;∑(N1/H1)為搖擺柱軸心壓力設(shè)計(jì)值與柱子高度比值之和。

《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中6.1.3條規(guī)定:當(dāng)多跨剛架中間柱為搖擺柱時(shí)，邊柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)應(yīng)乘以增大系數(shù)η(同式(2))。

2.2 二階分析法

P—Δ效應(yīng)具有增大側(cè)移的作用，即不穩(wěn)定作用。這一效應(yīng)對(duì)層數(shù)多而側(cè)向剛度不大的框架影響十分明顯，對(duì)一，二層框架影響不大。當(dāng)采用二階彈性分析方法計(jì)算內(nèi)力，并在每層柱頂考慮假想水平力時(shí)，框架計(jì)算長(zhǎng)度取幾何長(zhǎng)度。

2.3 整體設(shè)計(jì)法——高等分析法

高等分析法在計(jì)算過(guò)程中不再需要將框架拆卸成為許多柱和橫梁，而是將框架作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算其承載力，使其符合設(shè)計(jì)要求，因此在計(jì)算過(guò)程中只用到框架的幾何長(zhǎng)度。

現(xiàn)在主要有以下幾種高等分析法:1)塑性區(qū)法或塑性分布法;2)彈塑性鉸法;3)改進(jìn)彈塑性鉸法;4)等效假想荷載塑性鉸法;5)再折減切線模量法。

3 抗震設(shè)計(jì)的穩(wěn)定問(wèn)題

鋼材具有良好的塑性功能，在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，可以考慮結(jié)構(gòu)或構(gòu)件發(fā)生一定的塑性變形。傳統(tǒng)的塑性設(shè)計(jì)方法用的是剛塑性設(shè)計(jì)，沒(méi)有計(jì)入P—Δ效應(yīng)，這就使得框架在形成剛塑性機(jī)構(gòu)前會(huì)在框架平面內(nèi)喪失整體穩(wěn)定，使框架的實(shí)際承載能力低于剛塑性機(jī)構(gòu)荷載。要解決這一問(wèn)題有兩種方法:1)采用“簡(jiǎn)化的二階矩彈塑性分析法”;2)采用柱穩(wěn)定計(jì)算來(lái)代替框架的整體穩(wěn)定計(jì)算。無(wú)論采用哪一種方法，局部屈曲和平面屈曲都須防止。

對(duì)于單層框架，如果柱腳是鉸接而非剛接，橫梁的線剛度比柱子的線剛度小，二階效應(yīng)的影響很小。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》用柱子穩(wěn)定計(jì)算來(lái)代替框架的整體穩(wěn)定計(jì)算，可以保證結(jié)構(gòu)的安全度。

塑性設(shè)計(jì)對(duì)于跨數(shù)較多的框架和單跨框架在穩(wěn)定問(wèn)題上則有所不同。多跨框架中柱上端所連接的兩根橫梁的彎矩全部或大部分抵消，因此，柱所受的彎矩很小，柱所需的截面也就很小，但是，柱的軸力卻比單跨時(shí)大很多。柱的抗側(cè)移能力較弱，這也就是多跨框架必須作穩(wěn)定性驗(yàn)算的原因。

在輕型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中也必須考慮抗震設(shè)防。抗震設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定問(wèn)題和塑性設(shè)計(jì)有不少共同點(diǎn)。根據(jù)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)計(jì)原則，結(jié)構(gòu)在罕遇地震的作用下允許出現(xiàn)塑性變形。對(duì)框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，也就意味著可出現(xiàn)一系列的塑性鉸。

4 結(jié)語(yǔ)

穩(wěn)定問(wèn)題是很復(fù)雜的，尤其當(dāng)構(gòu)件存在初始缺陷、殘余應(yīng)力以及非線性因素的影響，就更增加了解決穩(wěn)定問(wèn)題的難度。另外，在工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究領(lǐng)域中，還存在很多尚未解決好的問(wèn)題。隨著新型鋼結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，我們工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)該明確在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中的一些基本概念，以及對(duì)新型鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究應(yīng)該了解的一些問(wèn)題，并且應(yīng)該懂得如何解決這些問(wèn)題。只有這樣，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中才能更好的處理鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題，從而減少經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡事故。

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