浅谈结构稳定理论基本概念

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结构稳定理论-概述

结构稳定理论-概述

(三)跃越失稳 平衡→失稳(失去承载力)→新的平衡
整体稳定与局部稳定的关系
整个结构的稳定问题属于结构的整体稳定; 结构中一个构件的稳定问题属于构件的整体稳定; 构件中的一块板件的稳定问题属于构件的局部稳定; 整体稳定与局部稳定会发生耦合作用,但是谁先谁后对结构 (构件)发生失稳的意义截然不同。
稳定分岔失稳
轴向压力作用下的薄板
Nx
一阶屈曲模态
二阶屈曲模态
三阶屈曲模态
横向均布压力作用下的薄壳
受均匀压力作用的拱形薄板——由拱形衡变成翘曲平衡
(2)不稳定分岔失稳 结构屈曲后只能在远比临界荷载低的荷载下维持平衡位形,亦 称“有限干扰屈曲”,因为在有限干扰作用下,在达到分岔屈曲荷 载前就可能由半屈曲平衡位形转到非邻近的屈曲平衡位形。 (二)极值点失稳 极值点失稳也称为第二类稳定问题;具有极值点失稳的偏心受 压构件的荷载挠度曲线只有极值点,没有出现如理想轴压构件那样 在同一点存在两种不同变形状态的分岔点,构件弯曲变形的性质没 有突变;对于实际的轴压构件,由于初弯曲、初偏心等几何缺陷的 存在也应属于偏心受压构件的范畴。
能量准则: (1)体系的平衡状态由 δπ
=0
的条件确定;
(2)当δ 2π > 0 时,为稳定平衡状态,此时总势能最小;
2 当δ π < 0 时,为不稳定平衡状态;
当δ 2π = 0 时,为随遇平衡状态。
1 U = Cφ 2 弹性势能: 2
外荷载势能:π e = − M 0φ − Pl (1 − cos φ ) 体系总势能:π = − M φ − Pl (1 − cos φ ) + 1 Cφ 2 0 2 δπ = (− M 0 − pl sin φ + Cφ )δφ = C (φ − φ0 − λ sin φ )δφ

结构稳定理论

结构稳定理论

6、主要研究几种结构的稳定问题
▪ 1)杆(梁)件及组合构件的整体稳定问题 ▪ 单个杆件的弹性轴心受压稳定(不同支承条件,不
同荷载形式) ▪ 理想中心受压杆件的弹塑性屈曲(双模理论与折算
模量理论) ▪ 非理想中心受压杆件的稳定问题 ▪ 构件的整体稳定 ▪ 2)梁的侧倾(弯扭失稳)稳定问题(在弯矩作用
设M作用下引起的变形为y1,剪力作用下引起的变形为 y2,总变形y=y1+y2。
由材料力学知:
Ncr
剪力V产生的轴线转角为:
l
y y1 y2
Ncr
M=Ncr·y
x
Ncr
Ncr
对于常系数线形二阶齐次方程: 其通解为:
Ncr
y y1 y2
Ncr
M=Ncr·y
x
Ncr Ncr
l
通常剪切变形的影响较小,可忽略不计,即得欧 拉临界力和临界应力:
+
(a)热扎工字钢
fy 0.75fy
0.2fy
0.3fy 0.3fy
0.3fy
(b)热扎H型钢
fy
0.53f
y
(d)焰切边焊接
(e)焊接
fy β1fy
0.3fy
(c)扎制边焊接
β2fy β2fy
( f )热扎等边角钢
(2)、残余应力影响下短柱的σ-ε曲线
以热扎H型钢短柱为例:
0.3fy (A)
0.3fy 0.3fy
柱屈曲可能的弯曲形式有两种: 沿强轴(x轴)和沿弱轴(y轴) 因此,临界应力为:
y
x
x
kb
b
a
c
a’
b
c’
σrc
σrt
b’

结构稳定理论课件

结构稳定理论课件

结构稳定理论Theory of Stability 李波教材陈骥. 钢结构稳定理论与设计(第五版). 科学出版社,2011绪论一.实践中的稳定现象二.结构正常工作的条件是什么?三.本课程的主要任务四.为什么钢结构特别强调稳定性?五.结构中稳定问题的类型六.稳定问题的特点七.稳定问题的求解方法一.实践中的稳定现象一.实践中的稳定现象一.实践中的稳定现象二.结构正常工作的条件是什么?足够的强度;足够的刚度;足够的稳定性强度Strength :材料抵抗破坏的能力不会因材料的应力被超过而破坏刚度Stiffness :材料抵抗变形的能力不会因结构的变形过大而失效稳定Stability :结构维持其原有平衡形式的能力不会产生与原受力状态不符的另外的较大变形而破坏三.本课程的主要任务1.结构中几类受力构件(存在受压区)弹性平面变位的稳定理论;2.考虑初始缺陷对稳定性能的影响;3.结合规范介绍应用稳定理论解决钢结构设计中的稳定性问题四.为什么钢结构特别强调稳定性1.高强度材料的结构与低强度材料的结构相比;2.薄壁结构与厚实结构相比;3.主要受压的结构与主要受拉的结构相比五.结构中稳定问题的类型1. 平衡分岔失衡自动恢复五.结构中稳定问题的类型1. 平衡分岔失衡P EP E P E 无法自动恢复v五.结构中稳定问题的类型2. 极值型失稳Pe 1P ve 2五.结构中稳定问题的类型3. 跃越失稳六.稳定问题的特点1. 必须考虑变形对荷载效应的影响针对已变形的结构来分析它的平衡,二阶分析; 针对未变形的结构来分析它的平衡,一阶分析。

PE P EP E2. 整体性的特点结构的稳定性:结构的稳定不能就某个杆件去孤立地分析,而应当考虑其他杆件对它的约束作用,这种约束作用是要从结构的整体分析来确定。

六.稳定问题的特点F F3.多样性的特点 失稳的形态多种多样六.稳定问题的特点4. 叠加原理不再适用叠加原理应用的前提是:材料符合胡克定律;六.稳定问题的特点结构的变形很小,用一阶分析来计算。

浅谈结构稳定理论基本概念

浅谈结构稳定理论基本概念

浅谈结构稳定理论基本概念摘要:结构的稳定性是决定其承载能力的一个特别重要的因素,掌握稳定问题的基本概念,把握其实质,对于钢结构稳定概念设计,和避免失稳破坏都具有很重要的意义。

关键词:稳定性;失稳问题;钢结构;强度Abstract: The stability of the structure is a particularly important factor to determine the carrying capacity. Grasping the basic concepts of stability and its essence hace a very important significance for the stability conceptual design of the steel structure and avoiding the damage of instability.Key words: stability; instability problem; steel structure; strength一、结构稳定的基本概念及对钢结构的重要性结构稳定理论就其性质而言属于结构力学的一个分支,其发展过程则与金属结构工程的发展息息相关。

钢结构一般由钢板、热轧型钢或冷弯薄壁型钢制造而成的,其具有材料强度高、结构重量轻的特点。

因此,稳定性是钢结构的一个突出问题。

在各类钢结构中,都会遇到稳定问题。

对这个问题处理不好,将造成不应有的损失。

现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故,其中影响较大的是1907年加拿大魁北克一座钢结构大桥坠河事件和1978年美国哈特福特城体育馆网架坠落事件等,在此不再详述。

建筑结构所用的钢材是弹塑性材料,具有很大的塑性变形能力。

当结构因抗拉强度不足而破坏时,破坏前呈现较大变形。

但是当结构因受压稳定性不足而破坏时,可能在失稳前只有很小的变形,即呈脆性破坏的特征。

结构受压稳定问题

结构受压稳定问题

结构受压稳定问题:结构受压稳定问题是一个重要的工程问题,涉及到结构的稳定性和安全性。

在结构工程中,受压稳定问题通常指的是结构在受到外部压力时,能够保持稳定而不发生失稳或屈曲的情况。

结构的稳定性是指在受到外力作用时,结构能够保持原有的平衡状态,不发生过大变形或失稳的现象。

结构的稳定性与结构的形状、尺寸、材料、支承方式和外力大小等因素有关。

在结构设计中,必须充分考虑这些因素,以确保结构的稳定性。

结构受压稳定问题的重要性在于,如果结构不稳定,可能会发生失稳或屈曲,从而导致结构破坏或倒塌。

特别是在高层建筑、大跨度桥梁、重型厂房等大型结构中,受压稳定问题更加突出。

因此,在结构设计时,必须进行稳定性分析和计算,以确保结构的稳定性和安全性。

结构稳定概述(结构稳定原理)

结构稳定概述(结构稳定原理)

第1章结构稳定概述工程结构或其构件除了应该具有足够的强度和刚度外,还应有足够的稳定性,以确保结构的安全。

结构的强度是指结构在荷载作用下抵抗破坏的能力;结构的刚度是指结构在荷载作用下抵抗变形的能力;而结构的稳定性则是指结构在荷载作用下,保持原有平衡状态的能力。

在工程实际中曾发生过一些由于结构失去稳定性而造成破坏的工程事故,所以研究结构及其构件的稳定性问题,与研究其强度和刚度具有同样的重要性。

1.1 稳定问题的一般概念结构物及其构件在荷载作用下,外力和内力必须保持平衡,稳定分析就是研究结构或构件的平衡状态是否稳定的问题。

处于平衡位置的结构或构件在外界干扰下,将偏离其平衡位置,当外界干扰除去后,仍能自动回到其初始平衡位置时,则其平衡状态是稳定的;而当外界干扰除去后,不能自动回到其初始平衡位置时,则其平衡状态是不稳定的。

当结构或构件处在不稳定平衡状态时,任何小的干扰都会使结构或构件发生很大的变形,从而丧失承载能力,这种情况称为失稳,或者称为屈曲。

结构的稳定问题不同于强度问题,结构或构件有时会在远低于材料强度极限的外力作用下发生失稳。

因此,结构的失稳与结构材料的强度没有密切的关系。

结构稳定问题可分为两类:第一类稳定问题(质变失稳)—结构失稳前的平衡形式成为不稳定,出现了新的与失稳前平衡形式有本质区别的平衡形式,结构的内力和变形都产生了突然性变化。

结构丧失第一类稳定性又称为分支点失稳。

第二类稳定问题(量变失稳)—结构失稳时,其变形将大大发展(数量上的变化),而不会出现新的变形形式,即结构的平衡形式不发生质的变化。

结构丧失第二类稳定性又称为极值点失稳。

无论是结构丧失第一类稳定性还是第二类稳定性,对于工程结构来说都是不能容许的。

结构失稳以后将不能维持原有的工作状态,甚至丧失承载能力,而且其变形通常急剧增加导致结构破坏。

因此,在工程结构设计中除了要考虑结构的116强度外,还应进行其稳定性校核。

1.1.1 第一类稳定问题首先以轴心受压杆来说明第一类稳定问题。

结构稳定概述(结构稳定原理)

结构稳定概述(结构稳定原理)

第1章结构稳定概述工程结构或其构件除了应该具有足够的强度和刚度外,还应有足够的稳定性,以确保结构的安全。

结构的强度是指结构在荷载作用下抵抗破坏的能力;结构的刚度是指结构在荷载作用下抵抗变形的能力;而结构的稳定性则是指结构在荷载作用下,保持原有平衡状态的能力。

在工程实际中曾发生过一些由于结构失去稳定性而造成破坏的工程事故,所以研究结构及其构件的稳定性问题,与研究其强度和刚度具有同样的重要性。

1.1 稳定问题的一般概念结构物及其构件在荷载作用下,外力和内力必须保持平衡,稳定分析就是研究结构或构件的平衡状态是否稳定的问题。

处于平衡位置的结构或构件在外界干扰下,将偏离其平衡位置,当外界干扰除去后,仍能自动回到其初始平衡位置时,则其平衡状态是稳定的;而当外界干扰除去后,不能自动回到其初始平衡位置时,则其平衡状态是不稳定的。

当结构或构件处在不稳定平衡状态时,任何小的干扰都会使结构或构件发生很大的变形,从而丧失承载能力,这种情况称为失稳,或者称为屈曲。

结构的稳定问题不同于强度问题,结构或构件有时会在远低于材料强度极限的外力作用下发生失稳。

因此,结构的失稳与结构材料的强度没有密切的关系。

结构稳定问题可分为两类:第一类稳定问题(质变失稳)—结构失稳前的平衡形式成为不稳定,出现了新的与失稳前平衡形式有本质区别的平衡形式,结构的内力和变形都产生了突然性变化。

结构丧失第一类稳定性又称为分支点失稳。

第二类稳定问题(量变失稳)—结构失稳时,其变形将大大发展(数量上的变化),而不会出现新的变形形式,即结构的平衡形式不发生质的变化。

结构丧失第二类稳定性又称为极值点失稳。

无论是结构丧失第一类稳定性还是第二类稳定性,对于工程结构来说都是不能容许的。

结构失稳以后将不能维持原有的工作状态,甚至丧失承载能力,而且其变形通常急剧增加导致结构破坏。

因此,在工程结构设计中除了要考虑结构的116强度外,还应进行其稳定性校核。

1.1.1 第一类稳定问题首先以轴心受压杆来说明第一类稳定问题。

结构稳定理论绪论.ppt

结构稳定理论绪论.ppt
4.陈骥 钢结构稳定理论与设计,科学出版社,2003。 5.李存权 结构稳定和稳定内力,人民交通出版社,2000 6.吴连元 板壳稳定性理论,华中理工大学出版社,1996
结构稳定理论 福州大学土木工程学院 林翔
绪论
一。稳定与失去稳定的概念
狭义的概念: 稳定(Stability): 体系保持某种情形或状态 失稳(Instability):体系丧失某种情形或状态,通常是突然

sin


e
cos
l
(0 11)
线性化(0-11)得:
p

PL 2K




e
l

(0 12) 图0-15 荷载缺陷的影响
1 e e
1 p L L
(2 13)
结构稳定理论 福州大学土木工程学院 林翔
3。2 能量方法
U 1 K (2 )2
2
1 2L(1 cos )
图1-11 小球平衡位置附近稳 定性
结构稳定理论 福州大学土木工程学院 林翔
2。判别平衡稳定性的三个准则
2。1 静力准则
平衡稳定的静力准则可表达为:若结构系统处于某一平衡 状态,且与其无限接近的相邻位置也是平衡的,则这一平衡状 态是随遇的。用静力准则确定平衡分支荷载,首先要对新的平 衡状态建立静力平衡方程。这种在外荷载不变的情况下,考虑 干扰变形影响的静力平衡方程显然是对干扰状态的一组齐次方 程。这组方程如果存在非零解,就表示非零的干扰状态是另一 平衡位置,则原来的平衡状态处于随遇平衡状态,因而平衡稳 定问题便转化为在齐次边界条件下求解齐次方程组的特征值问 题。这样求得的状态对应于分支点A,最小特征值即为稳定性 问题的临界荷载。对应于每个特征值都可得到特征函数,即失 稳波形。用静力准则确定临界荷载的方法称为静力平衡法。静 力准则广泛应用于连续弹性体系稳定性问题的求解。

结构的强度与稳定性

结构的强度与稳定性

内力
外力是使构件发生变形的同时,构件内部分子之间 随之产生一种抵抗变形的抵抗力,称为内力。
外力
内力
P
N
1.影响结构强度的主要因素
吊兰支撑使用的三角形支 架结构,而不使用由一根直杆挑起 的结构。从材料方面考虑,吊兰的 三角形支架使用的是钢管而不是木 条或塑料,钢管抗拉力性能好。从 连接方式考虑,吊兰的三角形支架 的构件是焊接而不是捆缚,这种连 接方式更牢固。
B、照相机的支撑架为什么常使用三脚架而不用其他形状?
因为三角支架与地面有 三个接触点,形成的三角形结 构使照相机的支撑架更容易稳 定。
因素三: 结构的稳定性与它的几何 形状有关。
补充(三角形稳定性的应用):
建筑中广泛运用了三角形的稳定性。房子、桥梁的桁 架大多都是由多个三角形构成的;钢架结构的十字梁同样是 运用这一原理,在四边形的框架中用两条杆件作对角线,形 成多个三角形,既节省了材料,减轻了结构的质量,又有效 地加强了结构的强度和稳定性。十字钢梁也是建筑中常用的 构件,如在高压输电的铁塔、悬索桥的塔架,以及摩天大楼 钢架结构中都被普遍地采用。
竹竿比脆性塑料 杆能挂更多的重 物而不会断裂
不同材料的抗 拉性能不同
沿着垂直于重 心线的方向撞击一 根完整的钢管与用 同样的方法撞击一 根中间有焊接缝的 钢管
中间有焊接缝的 钢管受到撞击时 容易损坏
因为有连接点
应力和强度的关系:
这只是我们一个笼统的说法,我们如何 来衡量一件东西的强度呢?那就要用到应力的知 识。
使用钢筋混凝土结构的好处是什么?
混凝土抗压性能较好, 而抗拉能力就比钢筋要小得 多。因此在制造时可在梁的 受拉区放置钢筋,组成钢筋 混凝土梁,在这种梁中,钢 筋受拉,混凝土受压,它们 合理组成一个整体,共同承 担载荷的作用。

工程力学中的结构稳定性与失稳分析

工程力学中的结构稳定性与失稳分析

工程力学中的结构稳定性与失稳分析工程力学是研究结构在各种载荷下的力学性能与稳定性的学科,其中结构稳定性与失稳分析是该领域的关键问题之一。

本文将介绍工程力学中的结构稳定性概念,并探讨结构失稳分析的方法和应用。

一、结构稳定性的概念从力学角度来看,结构的稳定性是指在外界作用力下,结构保持不发生形状变化或局部变形的能力。

一个稳定的结构在受到外部荷载时,能够保持原有的形状和静力平衡状态,拥有良好的承载能力。

而结构的失稳则是指结构发生形状变化或局部变形的现象,其承载能力将会大大降低。

结构的稳定性主要由结构本身的几何形状、材料性质和载荷条件所决定。

例如,一个长柱在受到压力时,当荷载作用超过其承载能力时,就会因失稳而发生屈曲。

因此,结构的稳定性分析十分重要,可以帮助工程师评估结构的可靠性,并采取相应的措施来提高结构的稳定性。

二、结构稳定性分析方法结构稳定性分析方法主要包括杆件稳定分析和板壳稳定分析两种。

杆件稳定分析是基于杆件在一个平面内受压的情况下的分析方法,常用于分析纤维材料的稳定性和柱子承载能力。

板壳稳定分析则是基于板壳在一个平面内受压的情况下的分析方法,常用于分析薄板结构的稳定性。

在进行稳定性分析时,我们通常会利用欧拉公式来确定结构的临界荷载,即当荷载超过其临界值时,结构将发生失稳。

欧拉公式描述了杆件的临界荷载与其几何形状和材料性质之间的关系。

对于不同的结构和载荷情况,我们需要根据具体问题选择适当的欧拉公式进行计算。

三、结构失稳分析的应用结构失稳分析在工程领域中有着重要的应用价值。

首先,通过失稳分析可以帮助工程师识别和预防结构的失稳现象,从而保证结构的安全性。

其次,失稳分析还可以用于优化结构设计,提高结构的稳定性和承载能力。

通过调整结构的几何形状和材料性质等因素,可以避免结构失稳,提高其稳定性。

工程力学中结构的失稳还可以引发其他重要问题的研究,例如屈曲承载力和非线性分析等。

屈曲承载力是指结构在临界荷载下发生失稳的能力,研究屈曲承载力可以帮助工程师评估结构的稳定性和承载能力。

浅谈建筑结构设计中建筑的稳定性

浅谈建筑结构设计中建筑的稳定性
参考文献:
[1]刘丰.浅谈建筑结构设计的常见问题及对策[J].中华民居,2014(6):106-106.
[2]王娜.浅谈建筑结构设计与减震设计[J].黑龙江科技信息,2015(18):236.
[3]魏称兵.浅谈钢结构设计的稳定性原则与设计要点[J].建筑工程技术与设计,2016(13):620.
[4]李书源.浅谈在建筑结构设计中如何提高建筑的安全性[J].建材与装饰,2016(28):110-111.
一、对于建筑物稳定性的评价
如何评价建筑稳定性在建筑行业的建筑结构设计中是一个热门的话题讨论点,是建筑结构设计和实施方式是非常关键的问题。附加应力分析法、力平衡分析法、数值分析法,这三种方法是当前在我国对建筑稳定性的评价方法[1]。虽然这些方法不能对稳定性作出的评价做到全面和贴切,但是其也能为建筑物提供一定的客观的评价。建筑学家们依据这些现象,寻求找到能够科学正确评价建筑物稳定性的科学合理的方法。
建筑行业随着国民经济的发展也在不断发展。但是,建筑行业所存在的弊端也逐步的显现出来,因为近年来建筑安全事故发生的比较频繁,人们也越来越重视房屋建筑结构设计的稳定性。各区域城市化建设步伐迅速的加快,而跟上发展步伐的建筑行业少之又少,就频繁的出现了建筑稳定性得不到标准的保障,豆腐渣工程也随之泛滥。国家出台了系统的法规法以加强建筑的稳定性,稳定性是整个建筑中的重大事项。这些法规法则对建筑的稳定性起到严格的监督作用,因而提高了人们对建筑的信任程度。因此只有地基的稳定性达到标准,建筑设计中对稳定性验算合格,施工单位才可对建筑施工。
总结:
为了使建筑行业可以做到健康积极的长远发展,建筑的稳定性起到了尤为重要的作用。因为建筑行业的稳定性直接关系到我国人民群众的生命财产安全和国家的和谐发展,社会的稳定。建筑的稳定性设计在建筑结构设计时,必须要做到充足的重视程度,科学合理的国家、社会和广大人民的负责。

结构稳定理论基本概念介绍

结构稳定理论基本概念介绍

数值分析方法
• 包括多种方法,如差分法(Ritz, Galerkin法),有限积 分法,有限单元法。其中有限单元法最为实用和有效, 各种通用分析软件很多(sap, ansys, algor, adina, abaqus, MSC系列)。 • 可进行两种分析:特征值分析和考虑包含初始缺陷的 极限承载力分析(非线性分析) • 特征值分析是定性分析,可用于判断结构性能,分析 计算长度取值是否合理。此种分析方法简单,易于被 不具备理论背景的人掌握。 • 极限承载力分析可用于实际工程,适用于杆系(包括 曲线杆件)和各种板壳的分析(强度分析和稳定分析相 统一)。 • 极限承载力分析结果依赖于合理的单元假设和合适的 分析方法,有时也不一定得到正确结果。需具备较强 的理论知识和经验进行判断
易发生整体失稳和局部失稳;
失稳时经常具有突然性的几何形状的改变。
结构稳定理论的一些基本概念
钢结构失稳破坏的例子
1907年,加拿大跨越魁北克(Quebec)河三跨伸臂桥
工程概况:两边跨各长152.4m,中间跨长548.6m(包括由 两个边跨各悬挑出的171.4m)。 破坏原因:格构式下弦压杆的角钢缀条过于柔弱, 其总面积只占弦杆截面面积的1%。
结构稳定理论的一些基本概念
稳定分析需注意的问题
• 叠加原理不适用 • 对不同的荷载性质和荷载分布,结构的 稳定性质一般都不相同,需各自单独分 析 • 分析结果对刚度和缺陷敏感,要注意边 界条件一定要和实际一致(类似于振动 问题)
颠倒。
1974年,苏联一个俱乐部观众厅24×39m钢屋盖倒塌。
起因是受力较大的钢屋架端斜杆失稳。
结构稳定理论的一些基本概念
1990年2月,辽宁省某重型机械厂新增一会议室。
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浅谈结构稳定理论基本概念摘要:结构的稳定性是决定其承载能力的一个特别重要的因素,掌握稳定问题的基本概念,把握其实质,对于钢结构稳定概念设计,和避免失稳破坏都具有很重要的意义。

关键词:稳定性;失稳问题;钢结构;强度Abstract: The stability of the structure is a particularly important factor to determine the carrying capacity. Grasping the basic concepts of stability and its essence hace a very important significance for the stability conceptual design of the steel structure and avoiding the damage of instability.Key words: stability; instability problem; steel structure; strength一、结构稳定的基本概念及对钢结构的重要性结构稳定理论就其性质而言属于结构力学的一个分支,其发展过程则与金属结构工程的发展息息相关。

钢结构一般由钢板、热轧型钢或冷弯薄壁型钢制造而成的,其具有材料强度高、结构重量轻的特点。

因此,稳定性是钢结构的一个突出问题。

在各类钢结构中,都会遇到稳定问题。

对这个问题处理不好,将造成不应有的损失。

现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故,其中影响较大的是1907年加拿大魁北克一座钢结构大桥坠河事件和1978年美国哈特福特城体育馆网架坠落事件等,在此不再详述。

建筑结构所用的钢材是弹塑性材料,具有很大的塑性变形能力。

当结构因抗拉强度不足而破坏时,破坏前呈现较大变形。

但是当结构因受压稳定性不足而破坏时,可能在失稳前只有很小的变形,即呈脆性破坏的特征。

总之,钢结构的稳定性是决定其承载能力的一个特别重要的因素,研究如何充分发挥钢结构稳定性能的潜力和完善稳定计算理论,对指导生产实践都具有十分重要的意义。

二、稳定问题和强度问题的区别与联系1、稳定问题和强度问题的基本概念任何结构体系在荷载作用下都应处在稳定平衡状态,否则偶然的扰动都可能使结构产生过大的变形而失稳,这是不能容许的。

在实际工程设计中强度问题也是一个重要的问题,它与稳定问题的异同可通过以下解释来说明。

强度问题是指结构或单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力(或内力)是否超过建筑材料的极限强度,因此其实质是一个应力问题。

极限强度的取值取决于材料的特性,对混凝土等脆性材料,可取它的最大强度,对刚才则取它的屈服点。

求最大应力时,对于绝大部分结构,常以未变形的结构作为计算图形进行分析,所得结果已足够准确。

此时,所得的变形与荷载间呈线性关系,这种分析方法称为几何线性分析,也称一阶分析。

而对有些结构,则必须以变形后的结构作为计算依据进行分析,否则所的结果误差就较大。

这时,所得的变形与荷载之间就呈非线性关系,这种分析方法就称为几何非线性分析,也称为二阶分析。

无论采用一阶分析或二阶分析结构内力,只要是研究在稳定平衡状态下的最大应力(或内力)是否超过材料的极限强度,则就是应力问题或强度问题。

稳定问题则与强度问题不同,它主要是要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,从而设法避免进入该状态,因此它是一个变形问题。

稳定问题的计算必须以变形后的体系作为计算依据,因此它必然是二阶分析,其外荷载与变形间呈非线性关系,叠加原理不再成立。

2、二者的区别与联系(1)破坏形式不同强度破坏是材料问题,往往是局部开始破坏,一般有明显征兆,属塑性破坏范畴。

稳定破坏是结构问题,不一定是材料问题,也不一定是局部问题,一般没有明显征兆,属脆性破坏范畴。

设计中必须防止这种破坏。

(2)分析方法不同当平衡方程按结构变位前的轴线建立时,称为一阶分析,也称为几何线性分析;当平衡方程按结构变位后的轴线建立时,称为二阶分析,也称为几何非线性分析。

从上面的关系可以看出,结构的稳定问题在以下几个方面不同于强度问题的解算:①、考虑变形对外力效应的影响;②、静定和超静定结构的区分失去意义;③、叠加原理不适用。

一阶分析解决强度问题,解决稳定问题只能考虑二阶或三阶分析。

但在某些情况下,需把稳定和强度问题同时考虑,把二阶分析考虑为特殊强度问题。

(3)解不同强度问题有唯一解,稳定问题具有多解性。

为了求解结构和构件的临界力,必须确定临界状态,然后才能求得临界力。

常用的求解方法有静力法、能量法和运动法。

对应的判别稳定性的基本准则有静力准则、能量准则和运动准则。

相对强度问题而言,稳定问题的求解要复杂得多。

(4)残余应力的影响不同残余应力对构件来说是存在于截面内自相平衡的初始应力。

它对静力强度几乎没有影响,但对稳定有不利影响。

有残余应力的杆件,设其最大的残余压应力为,则外加压应力达到时,截面上就有一部分材料屈服。

按照钢材为理想弹塑性的简化假定,屈服部分的刚度将消失,压杆的稳定承载力也就取决于剩余刚度。

由此可见,杆件截面上残余应力的大小及残余压应力区的部位,都对压杆的稳定性有着很大影响。

三、稳定问题的分类及其分析方法1、两类稳定问题及临界荷载一般来说,钢结构的稳定问题可分为两大类:(1)第一类稳定问题或具有平衡分岔的稳定问题(也叫分支点失稳)。

理想直杆轴心受压时的屈曲和理想平板中面受压时的屈曲都属于这一类。

(2)第二类稳定问题或无平衡分岔的稳定问题(也叫极值点失稳)。

由建筑钢材做成的偏心受压构件,在塑性发展到一定程度时丧失稳定的承载能力,都属于这一类。

按照结构在逐渐加载过程中平衡形式是否发生质变的观点,将结构的失稳区分为第一类稳定问题和第二类稳定问题,如图1所示。

前者表示在加载过程中,构件的平衡状态将出现分枝现象,使原有的平衡状态失去稳定性而转向新的平衡状态;而后者在加载过程中平衡形式并不发生质变。

在第一类稳定问题中,当加载至时,表示平衡的分枝即将出现,称为压屈荷载。

在第二类稳定问题中,当加载到,表示构件的承载能力即将降低,称为压溃荷载。

工程上通常把两者统称为失稳的临界荷载。

工程问题中研究结构稳定问题的目的,在于寻求相应的临界荷载及其临界状态,防止不稳定平衡状态的发生,从而确保结构安全。

图1两类稳定问题2、两类稳定问题的计算分析方法结构的第一类稳定问题,在数学上归结为广义特征值问题(1)的最小特征对的求解。

式中为结构弹性刚度矩阵;为给定的一组荷载(表示真实外荷载的相对大小)作用时形成的结构几何刚度矩阵(设轴向力以压力为正),用以体现结构的应力对刚度的影响;,是式(1)的特征对。

通过广义特征值计算,求出其中的最小特征值,则结构的临界荷载为:(2)特征值所对应的特征向量即结构临界状态的失稳模态。

第二类稳定问题,在数学上则归结为一个非线性方程(3)的求解。

通常采用增量法,把结构的临界荷载分成若干级荷载增量,即(4)那么,就任何一级加载而言,荷载一挠度曲线中的相应部分可以近似地认为是直线。

干是有理由把一个总体表现为非线性的过程按若干个小的线性过程的迭加进行处理。

只要在每个增量步对应的线性过程中计入该过程开始时的全部轴向力影响和应力一应变关系,这种线性化处理的结果也能相当好的逼近原来的非线性过程。

因此,增量形式的平衡方程为(5)式中是第次加载结束时的结构刚度矩阵,可在第次加载前事先求出,其计算式为(6)式中与相同,仅轴向力规定以拉力为正;是结构的大位移刚度矩阵,用以描述结构的变形对刚度的影响。

第级荷载增量作用结束时,结构承受的总荷载和总位移为(7)式中和为结构的初始荷载列阵和初始位移列阵。

可见,这种方法可以监测结构在加载达到临界荷载过程中的荷载一位移变化以及内力行为。

在第二类稳定问题中,当荷载达到临界值时,荷载一位移曲线的斜率为零;越过极值点后,曲线斜率小干零,因此结构失稳的判别式为(8)如果在第次增量作用结束后,结构的总刚度矩阵使式(8)满足,那么前次荷载增量过程的迭加即为结构的临界荷载。

如果在增量过程中引入迭代法,刚结构的失稳判别还应结合收敛准则进行处理,其方法可见文献2。

失稳的临界状态一旦确定,则相应的总变形描述的变形曲线即为相应的失稳模态。

四、稳定问题计算时的整体观点结构的稳定承载力和它的刚度密切相关。

因为刚度是由结构的整体组成所决定的。

所以在处理稳定问题时,必须具有整体观点。

从局部稳定和整体稳定的相关关系来说,处理稳定问题应有整体观点。

局部和整体的相关关系可概括为:整体缺陷促使局部提前失稳,局部失稳反过来又使整体较早丧失承载能力。

在结构的优化设计中,要注意缺陷的不利影响。

因为国外有学者作过实验分析,考虑缺陷影响,完善杆在整体和局部等稳的长细比之下,临界力降低最多。

五、稳定设计时需要注意的问题保证结构及其构件的稳定,是钢结构设计的重要内容。

《钢结构设计规范》中的许多条文都和稳定问题有关,遵循这些条文的规定,对防止出现结构失稳事故当然是必不可少的。

然而,仅仅按规范条文来处理稳定问题还很不够,设计者除了需要对条文规定的依据有一定深度的理解外,还应通晓各种因素对结构和构件稳定性能的影响。

因此要弄清稳定基本概念的实质。

在实际设计中处理稳定问题时需要注意以下几个问题。

①结构计算简图和适用计算方法所依据的简图应该一致当所计算的对象和适用方法的简图有出入时,设计者应对简图差异造成的后果做到心中有数,以避免造成事故隐患。

②结构稳定计算和结构布置方案相符合这个问题是确定桁架、塔架等的杆件出平面稳定时应该十分注意的。

即结构布置方案是否确实能够对桁架节点提供平面外位移约束。

③结构稳定计算和构造设计相符合构造和计算相符合一直是设计者所关注的问题。

但是,当涉及稳定性能时,构造上常有不同于强度的要求或特殊考虑。

例如,简支梁的不动铰支座,就强度来说只要能阻止位移并允许梁端在平面内转动;而就整体稳定来说,还要能阻止梁绕纵轴转动。

如果梁支座不能有效阻止扭转,则稳定承载力将有所降低。

六、认识与总结稳定问题对钢结构是一个特别要注意的问题,稳定问题普遍存在于钢结构的设计中,凡是结构中的受压部位,在设计中都必须认真考虑其稳定性。

有时,某一部位从表面上看来并不受压或主要不是受压,但仍然也会出现屈曲失稳问题。

这种情况和容易被设计者所忽视,虽然在实践中不一定会酿成重大事故,但因此存在的问题却不能不引起设计和使用者的重视,并予以加固。

钢结构的失稳在形式上也具有多样化的特点。

另外对于结构来说,它是由各个杆件组成的整体,当一根杆间发生失稳变形时,必然牵动和它刚性连接的其他杆件。

因此杆件的稳定性不能就某一根杆件去孤立的分析,而应当考虑其他杆件对它的约束作用。

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