建筑鋼結(jié)構(gòu)論文

1、建筑鋼結(jié)構(gòu)論文建筑鋼結(jié)構(gòu)論文:淺談鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)摘要:鋼結(jié)構(gòu)因具有自重 輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用另 一方血因其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失的事故案例也常 有耳聞而失穩(wěn)破壞的原因通常是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷所致。論文通過對鋼結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的概念、原則及分析方法的總結(jié)結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐談?wù)?對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的體會。關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)細(xì)部構(gòu)造 穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容之一現(xiàn)實(shí)生活中因 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成的工程事故案例也較多如美國哈特福特城的體育館 平面9加xllom的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)突然于1978年墜落地面原因是由于壓 桿屈曲失穩(wěn)1988年我國也曾發(fā)生

2、132m 0mx18鋼網(wǎng)架因腹桿穩(wěn)定 不足在施工過程屮塌落的事故2010年1月3 |z|下午昆明新機(jī)場 38m鋼結(jié)構(gòu)橋跨突然垮塌造成7人死亡、8人重傷、26人輕傷原因 是橋下鋼結(jié)構(gòu)支撐體系突然失穩(wěn)8m高的橋面隨即垮塌下來。從上述 案例可以看出鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的原因通常是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理存在 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷所致要從根本上杜絕此類事故的發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè) 計(jì)是關(guān)鍵。1鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的概念11強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)別強(qiáng)度 是指結(jié)構(gòu)或者單個(gè)構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下市荷載所引起的最大應(yīng)力 或內(nèi)力是否超過建筑材料的極限強(qiáng)度因此它是一個(gè)應(yīng)力問題。極限強(qiáng) 度的取值因材料的特性不同而異對鋼材是取它的屈服點(diǎn)。穩(wěn)立主耍是 找出外

3、部荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)即變形開始急 劇增長而需設(shè)法避免進(jìn)入的狀態(tài)因此它是一個(gè)變形問題。例如軸壓柱 當(dāng)失穩(wěn)時(shí)柱的側(cè)向撓度使柱中增加很大的附加彎矩從而柱子的破壞 荷載可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它的軸壓強(qiáng)度此時(shí)失穩(wěn)是柱子破壞的主要原因。12鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類1有平衡分岔的穩(wěn)定問題分支點(diǎn)失穩(wěn)。完善直 桿軸心受壓時(shí)的屈曲和平板中面受壓時(shí)的屈曲均屬于這一類。2無平 衡分岔的穩(wěn)定問題極值點(diǎn)失穩(wěn)。市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)定的能力屬丁這一類。3跳躍失穩(wěn)是一種 不同于以上兩種類型的穩(wěn)定問題它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另 一個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。2鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的原則21鋼結(jié)構(gòu)布置必

4、 須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求目前鋼結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按 照平面體系來設(shè)計(jì)的如桁架和框架。保證這些平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面外 失穩(wěn)需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決如增加必要的支撐構(gòu)件等。要求平面 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定計(jì)算需與結(jié)構(gòu)布置和一致。22結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖需 與實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡圖一致當(dāng)設(shè)計(jì)單層或多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)通 常不做框架穩(wěn)定分析而只做框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。采用這種方法計(jì)算框 架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長度系數(shù)應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出使 柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范gb50017-2003對單層或多 層架穩(wěn)定計(jì)算。“框框架給出的柱計(jì)算長度系數(shù)采用了 5條基木假 定其中包括:架中的所有柱子是同時(shí)喪失穩(wěn)定

5、的即各柱同時(shí)達(dá)到其臨 界荷載”按照這條假定框架各柱的穩(wěn)定參數(shù)、桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用方 法是依據(jù)一定的簡化假設(shè)或者典型情況得出的設(shè)計(jì)者需確認(rèn)所設(shè)計(jì) 的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時(shí)才能正確應(yīng)用。23鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)與 構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)一致保證鋼結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)與構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì) 算相符合是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要高度注意的問題。對要求傳遞彎矩和不 傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度對桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng) 盡量減少桿件偏心。但是當(dāng)涉及穩(wěn)定性能吋構(gòu)造上吋常有不同于強(qiáng)度 的要求或特殊考慮。例如簡支梁就抗彎強(qiáng)度來說對不動較支座的要求 僅僅是阻止位移同時(shí)允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。然而在解決梁整體穩(wěn)定吋上 述要求就不夠了支座還需能夠

6、阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)同時(shí)允許梁在平面 內(nèi)轉(zhuǎn)動和梁端截面自由翹曲以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的分析都是針對在外荷載 作用下結(jié)構(gòu)存在變形的條件下進(jìn)行的此變形應(yīng)該與所研究的結(jié)構(gòu)或 構(gòu)件失穩(wěn)時(shí)出現(xiàn)的變形相對應(yīng)。結(jié)構(gòu)變形與荷載之間呈非線性關(guān)系穩(wěn) 定計(jì)算屬于非線性兒何問題采用的是二階分析方法。穩(wěn)定計(jì)算所確定 的不論是屈曲荷載還是極限荷載都可視為所計(jì)算的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的穩(wěn) 定承載力。31靜力法靜力法即靜力平衡法是根據(jù)已發(fā)生了微小變形 后結(jié)構(gòu)的受力條件建立平衡微分方程然后解出臨界荷載。在建立平衡 微分方程時(shí)遵循如下基本假定：1構(gòu)件是等截面直桿。2壓力始終沿構(gòu) 件原來軸線作用

7、。3材料符合胡克定律即應(yīng)力與應(yīng)變成線性關(guān)系。4 構(gòu)件符合平截面假定即構(gòu)件變形前的平截面在變形后仍為平截面。5 構(gòu)件的彎曲變形是微小的曲率可以近似地用撓度函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)表 示。根據(jù)以上假定條件可建立平衡微分方程代入和應(yīng)的邊界條件即可 解得兩端較支的軸壓構(gòu)件的臨界荷載。32能量法能量法是求解穩(wěn)定 承載力的種近似方法通過能量守恒原理和勢能駐值原理求解臨界 荷載。1能量守恒原理求解臨界荷載。保守體系處在平衡狀態(tài)吋貯存 在結(jié)構(gòu)體系中的應(yīng)變能等于外力所做的功即能量守恒原理。其臨界狀 態(tài)的能量關(guān)系為：au aw式中au一-指應(yīng)變能的增量aw-一指外 力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。2勢能駐值原

8、理 求解臨界荷載。勢能駐值原理指:受外力作用的結(jié)構(gòu)當(dāng)位移有微小變 化而總勢能不變即總勢能有駐值時(shí)結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)。表達(dá)式 為:dndu-dw 0式中du-一指虛位移引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變能的變化它 總是止值dw-指外力在虛位移上作的功。33動力法處于平衡狀態(tài) 的結(jié)構(gòu)體系如果施加微小干擾使其發(fā)生振動這時(shí)結(jié)構(gòu)的變形和振動 加速度都和已經(jīng)作用在結(jié)構(gòu)上的荷載有關(guān)。當(dāng)荷載小于穩(wěn)定的極限荷 載值時(shí)加速度和變形的方向相反因此干擾撤去后運(yùn)動趨于靜止結(jié)構(gòu) 的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的當(dāng)荷載大于穩(wěn)定的極限荷載值時(shí)加速度和變形 的方向相同即使撤去干擾運(yùn)動仍是發(fā)散的因此結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是不 穩(wěn)定的。臨界狀態(tài)的荷載即為結(jié)構(gòu)的屈曲荷載可由

9、結(jié)構(gòu)的振動頻率為 零的條件解得。4鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的兒點(diǎn)體會1目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 多借助鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面內(nèi)強(qiáng) 度及整體穩(wěn)定計(jì)算可依靠程序自動完成結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面外強(qiáng)度及 穩(wěn)定計(jì)算需要設(shè)計(jì)者另做分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)。此吋可將整個(gè)結(jié)構(gòu)按標(biāo) 高分解成多個(gè)不同布置形式的結(jié)構(gòu)體系在不同的水平荷載作用下進(jìn) 行結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算。2受彎鋼構(gòu)件的板件局部穩(wěn)定有兩種 方式:一是以屈曲為承載能力的極限狀態(tài)并通過對板件寬厚比的限制 使之不在構(gòu)件整體失效前屈曲二是允許板件在構(gòu)件整體失效前屈曲 并利用其屈曲后強(qiáng)度構(gòu)件的承載能力由局部屈曲后的有效截面確定。 對于不考慮屈曲后強(qiáng)度的梁局部穩(wěn)定可對梁設(shè)置橫向或縱向加勁肋 以解決梁的局部穩(wěn)定問題加勁肋按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范hb50017 -2003 規(guī)定設(shè)置對于組合梁腹板考慮屈曲后強(qiáng)度的計(jì)算按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī) 范gb50017-2003笫44規(guī)定執(zhí)行。3軸心受壓構(gòu)件和壓彎構(gòu)件局部 穩(wěn)定有兩種方式:一是控制翼緣板自由外伸寬度與其厚度之比二是控 制腹板計(jì)算高度與其厚度z比。對于圓管截面的受壓構(gòu)件應(yīng)控制外徑 與壁厚之比加勁肋按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范gb50017-2003第54規(guī)定 設(shè)置。