探讨钢结构的稳定性

2013-08-15张德智张志伟

中国建筑金属结构 2013年10期

关键词：屈曲钢结构构件

张德智，张志伟

（黑龙江省寒地建筑科学研究院,黑龙江哈尔滨 150080）

1 钢结构之简述

1.1 钢结构之定义

钢结构通常是指由型钢和钢板等钢材通过焊接、螺栓联接或铆接而制成的工程结构。

1.2 钢结构的应用优势及劣势

优势：自重较轻，工作的可靠性强，抗震性能及抗冲击性能好，制造的工业化程度高，整体刚性强，易于准确快速装配，变形力强，材料韧性塑性好，钢结构建筑物室内空间大，易做成密封结构，工期较短，可回收利用等。

劣势：易腐蚀、耐火性差，存在一定安全隐患等。

1.3 钢结构应用领域及我国钢结构发展前景

主要应用领域：由于钢结构自身的特点，其常被用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物。随着钢结构建筑的普及和其持续性发展，钢结构现已广泛应用于建筑、铁路设施、桥梁和住宅等诸多方面。

2 钢结构的稳定性分析

2.1 稳定及失稳的含义

和稳定相关的问题主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，之后设法防止进入该状态，所以从某种意义上讲，这属于一个变形问题。

失稳也被称为屈曲，是指钢结构或构件失去了整体的或局部的稳定性，一般在承载力极限状态范围之内。另外，若对构件或板件因受压、受弯或受剪等产生的受压区域处理不当，钢结构可能会出现整体失稳或局部失稳的现象。尽管钢结构在失稳前的变形量可能看起来微乎其微，但突然的失稳会使其因几何形状急剧变化而丧失抗压力，进而导致结构物整体塌落。

2.2 钢结构失稳的分类

就钢结构的性质可将其主要分为以下三种类型：

（1）分支点失稳，也叫做平衡分岔失稳，指结构到达临界荷载时，结构在原来的平衡状态外可能出现第二个平衡状态，即在同一个荷载点出现了平衡分岔现象。按照结构稳定性分析理论，直杆轴心受压时的屈曲和平板在中面受压均属此类。板的屈曲后强度较为明显，往往可以在工程设计中应用。

（2）极值点失稳，亦即无平衡分岔失稳，像由钢材建造的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时失去其稳定能力的现象，及双向弯曲压弯构件和双向受弯构件的弹塑性弯扭失稳均属于这一类。

（3）跃越失稳则不同于上述两类，它既无平衡分岔点，又无极值点，而是在失去稳定平衡之后直接跳到另一个稳定平衡状态。扁平的网壳结构和铰接的坦拱一般都容易发生跃越失稳，尽管在屈曲后其荷载能继续增大，但是过度的变形已造成结构破坏，所以实际工程中应以临界荷载作为承载的极限值。

2.3 研究钢结构稳定性的方法

（1）平衡法，亦即中性平衡法或静力平衡法，也就是根据已发生了微量变形后的钢结构的受力条件建立平衡微分方程，然后对其进行求解的方法，这是求解结构稳定极限荷载的最基本方法。在建立平衡微分方程时应满足下面五个基本假定：构件是等截面直杆，压力始终沿构件原来轴线产生作用，材料遵循胡克定律，构件满足平截面假定，构件的弯曲变形是微小的。行相应的分析，故平衡法在多数情况下较为常用。

（2）动力法，即对已处于平衡状态的结构体系加以细微干扰令其产生振动的方法，此时结构的变形和振动加速度都与已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度方向与变形的方向相反，相应的若撤去干扰，运动则趋于静止，此时结构处于稳定的平衡状态；而当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度方向和变形的方向相同，此时就算去除干扰，运动依然发散，而此时结构的平衡状态不稳定。

（3）能量法，是求解承载力稳定性的一种近似方法，即通过能量守恒原理和势能驻值原理来求解临界荷载的方法。由小变形理论分析可得，能量法一般只能获得屈曲荷载的近似解；但若事先能了解屈曲后的变形形式，用这种方法进行计算便于得到精确解。另外，通常而言，用总势能驻值原理可以求解屈曲荷载，而用总势能最小原理能够分析出屈曲后平衡的稳定性。