鋼結構建筑設計中穩(wěn)定性的設計方法探討

1、    鋼結構建筑設計中穩(wěn)定性的設計方法探討    袁石鋼摘 要：鋼結構作為建筑設計中一種主要的建造形式，目前，在大型廠房、橋梁、高層建筑物設計中被廣泛應用。鋼結構所采用的建筑鋼材具有防變形、耐腐蝕、抗震以及符合環(huán)保要求等眾多優(yōu)點，因此能夠在建筑設計領域得到廣泛的應用。建筑工程采用鋼結構時，其結構穩(wěn)定性作為一個至關重要的指標，直接決定了建筑物的質量和使用壽命。因此文章結合實例，就屈曲分析法在鋼結構穩(wěn)定性設計中的應用展開分析。關鍵詞：鋼結構建筑;穩(wěn)定性;設計方法高層結構的穩(wěn)定性設計主要包括風或地震作用下的剛重比驗算、整體傾覆驗算、整體屈曲分析、大

2、跨度水平構件及躍層豎向構件的穩(wěn)定分析等。屈曲分析作為高層結構穩(wěn)定性設計中的重要分析方法可用于評估結構的穩(wěn)定安全度，并可從屈曲模態(tài)判斷結構的薄弱環(huán)節(jié)，對結構布置進行優(yōu)化;另外，屈曲分析也可用于構件長度系數(shù)的分析，其結果可直接用于結構豎向構件的設計與驗算。1 屈曲分析的基本概念根據(jù)孫訓方等所著材料力學壓桿穩(wěn)定理論，軸心壓桿完全挺直，荷載沿桿件形心軸作用，在壓力p較小時，桿軸保持平直，如有干擾使之微彎，干擾撤去后，桿件就恢復原來的直線狀態(tài)，直線狀態(tài)的平衡是穩(wěn)定的，當p逐漸加大到某一數(shù)值時，如出現(xiàn)干擾，在撤去此干擾后，桿件仍然保持微彎狀態(tài)，不再恢復其原有的直線狀態(tài)，這時除直線形式的平衡外，還

3、存在微彎狀態(tài)下的平衡位置，這種現(xiàn)象稱為平衡的“分枝”，此時的外力和內(nèi)力平衡是隨遇的，叫做隨遇平衡或中性平衡，當外力p超過此數(shù)值時，微小的干擾將使桿件產(chǎn)生很大的彎曲變形而破壞，此時的平衡是不穩(wěn)定的，即桿件的“屈曲”，中性平衡狀態(tài)是從穩(wěn)定平衡過渡到不穩(wěn)定狀態(tài)的一個臨界狀態(tài)，所以稱此時的外力p值為臨界力。分支點屈曲的基本特征是：結構在失穩(wěn)前后的變形產(chǎn)生了性質上的改變，即原來的平衡形式不穩(wěn)定后，可能出現(xiàn)與原來平衡形式有本質區(qū)別的新平衡形式。分支點是平衡狀態(tài)從穩(wěn)定轉變?yōu)椴环€(wěn)定的分界點。在分支點處所對應的荷載稱為屈曲荷載或臨界荷載。在極值點屈曲過程中無分支點出現(xiàn)，在變形過程中存在一個最大荷載值。達到最大荷

4、載后，變形迅速增大而承載能力卻下降，這種現(xiàn)象稱為極值點屈曲，該荷載稱為極限荷載或壓潰荷載。2 屈曲分析在結構穩(wěn)定分析中應用對整體結構的屈曲分析，主要先對其進行線性屈曲分析，得到結構整體的理論屈曲模態(tài)，及各構件的屈曲失穩(wěn)模態(tài)及相應的屈曲理論荷載值，結構非線性失穩(wěn)形態(tài)以及結構位移 荷載發(fā)展曲線。因為分析中考慮了幾何非線性和材料非線性，最后實際上求解的是結構的整體極限承載力，在實踐中一般建議其安全度控制在初始標準重力荷載的2倍以上。同時，也可以通過結構整體屈曲穩(wěn)定分析來確定高層建筑豎向構件的計算長度系數(shù)，把屈曲分析應用于結構的承載力設計，這對于超限超高結構中的關鍵性豎向構件更有必要，可保證

5、結構整體性能目標的實現(xiàn)?；谝陨戏治?，本文將通過一個具體的工程項目，采用sap2000 分析軟件，通過建立局部模型，考慮躍層柱及其周圍構件的相互約束影響，對柱頂施加靜力荷載工況，求得結構各階的屈曲模態(tài)和屈曲臨界荷載系數(shù)，檢查各階屈曲模態(tài)形狀，確定躍層柱發(fā)生失穩(wěn)時的臨界荷載系數(shù)和屈曲臨界荷載pcr，最后通過歐拉臨界荷載公式反算出該柱在屈曲方向的計算系數(shù)。3 工程實例分析3.1 工程概況某酒店式公寓主樓結構總高度99.24 m，標準層長52.2 m，寬19.85 m，地下3層，地上29層。5層以下為商業(yè)，層高分別為6.0 m 和5.5 m，6層為設備層，層高2.19 m，729

6、層為公寓，層高3.0 m。地上5層為結構轉換層，樓板厚度取180 mm，框支梁、框支柱均采用勁性鋼筋混凝土以增加結構延性。地上第6， 7 層合并為一個結構層，計算層高取 5.19 m，根據(jù)需要，部分連梁采用了交叉暗撐以提高其抗剪承載力。該項目工程設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，項目所在地抗震設防烈度為7度（第二組），設計基本地震加速度值為0.10 g，建筑場地類別為類，特征周期值為0.40 s，為抗震一般地段。底部加強區(qū)框支柱、剪力墻抗震等級為特一級，框支梁為一級，非底部加強區(qū)構件抗震等級為二級。該樓基礎采用柱（墻）下獨立承臺、條形承臺、局部筏形基礎，基樁采用直徑1 m 樁側后注漿嵌

7、巖灌注樁，以中等風化泥巖作持力層，基樁進入持力層不小于1.5 m，單樁承載力特征值按7 500 kn。地下室不設變形縫，在主樓與裙房之間將設置施工后澆帶，后澆帶在主樓樓結構封頂后澆筑。該項目存在結構扭轉不規(guī)則，樓板不連續(xù)（2層南向樓板缺失嚴重）、豎向構件間斷、局部穿層柱等不規(guī)則項，根據(jù)建質 2010109號令超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點中表二的規(guī)定，屬于特別不規(guī)則結構，需要做超限論證，對結構做性能化設計。按其中第3.11節(jié)，考慮抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構的特殊性、建造費用、震后損失和修復難易程度等各項因素，確定結構抗震性能目標為 d 級。在設定的性能目標中，在設防烈度地

8、震下，框支梁、框支柱的受剪承載力提高至中震彈性進行設計 ;在預估的罕遇地震下，框支梁、框支柱的受剪承載力應滿足大震不屈服。其中結構南向的所有框支柱均為躍層柱，在滿足其強度承載力的同時，其穩(wěn)定性的設計更加重要，需要通過軟件分析來驗證。3.2 計算模型及參數(shù)3.3 加載工況首先給結構施加靜力荷載工況，然后進行屈曲分析：求解出屈曲因子，利用屈曲因子乘以工況荷載即得到臨界荷載。3.3.1 工況1，施加靜力荷載工況 d+l。3.3.2 工況2，屈曲分析工況。3.4 分析結果sap2000 中建立分析模型，進行屈曲模態(tài)分析，分析結果匯總見表2。4 結語分析表明：構件

9、實際作用力 p 均在臨界荷載 pcr的10% 以下，各柱的計算長度系數(shù)均小于1.0，因此國內(nèi)傳統(tǒng)計算分析軟件如satwe、yjk根據(jù)gb 500102010 混凝土結構設計規(guī)范表6.2，20-2將底層柱長度系數(shù)取為1.0是安全和可行的，但中柱富余量并不是很大?？傊?，盡管線性屈曲分析的對象完美理想體在現(xiàn)實中并不存在，實際上所有的結構或構件都存在著原始的幾何缺陷和材料的非線性。根據(jù)以上的工程實例分析，可知對于長細比較大的躍層柱或者承擔荷載較大的超高結構，對其關鍵構件進行穩(wěn)定性分析，通過屈曲模態(tài)判斷結構的薄弱環(huán)節(jié)，杜絕局部構件的失穩(wěn)破壞，從而為提高結構整體的安全度提供了保證。此外，以上的工程實例分析也同時驗證了結構設計時直接采用規(guī)范方法確定豎向構件的長度系數(shù)并不是任何時候都是可行和安全的，需謹慎對待，具體情況具體