钢结构稳定问题

钢结构稳定问题的综述

建筑与土木工程学院刘小伟学号：2111316139

摘要：总结了钢结构稳定问题的基本概念和类型，介绍了影响钢结构稳定的一些因素和稳定问题的计算方法、规范规定，并总结了钢结构稳定设计的设计原则和目前钢结构稳定问题研究中存在的问题特点。

关键词：钢结构稳定性原则类型

Abstract:Summarized the basic concept and type of stability problems of steel structure, introducing the standard calculation method.The influence of some factors and stability problems of steel structure stability of the regulation, and summarizing the design principle of stability design of steel structure and the present research of structure stability problems in steel.

Keywords: Steel structure stability principle type

1、引言

随着我国钢铁工业的快速发展，又由于钢结构的诸多优点，所以这种被认为绿色环保型产品的钢结构，是建筑的发展方向。但由于钢比混凝土的抗压强度高20多倍，因此设计的承担相同受力功能的钢构件与混凝土构件相比，具有截面尺寸小、构件细长等特点，在对于受压、受弯等存在受压区的钢构件处理不当时，就很可能出现失稳现象。因此为了提高截面效率、充分发挥钢材的强度，钢结构一般做成

薄壁结构，这使得钢结构在大跨方案中有着极大的竞争力，但与此同时也带来了缺点：结构刚度小，稳定问题突出，稳定问题普遍处在于钢结构设计中，所以只有处理好钢结构稳定问题，才能做出经济合理的设计。

2、失稳的概念及稳定问题的类型

2.1失稳的概念

处于平衡位置的结构或构件，在任意微小外界扰动下，将偏离其平衡位置，当外界扰动去除后，仍能自动回复到初始平衡位置时，则初始平衡状态是稳定状态；若外界扰动去除后，不能回复到初始平衡位置，则初始平衡状态就是不稳定的平衡状态。所以平衡状态就是从稳定状态向不稳定状态过渡的一中中间状态。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。结构或构件由于平衡形式的不稳定，从初始平衡位置转变到另一种平衡位置，即称为屈曲，或失稳。

2.2稳定问题的类型

钢结构的失稳现象是多种多样的，但就其性质而言，可以分为以下三类：

2.2.1、平衡分岔失稳（分支点失稳）

完善的（即无缺陷的、挺直的）轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板的失稳都属于平衡分岔失稳问题。属于这一类的还有理想的受弯构件以及受压的圆柱壳等的失稳。

如图1所示为理想状态下中心受压直杆。当Pcr P时，直线平衡是不稳定的。设直杆中点挠度为Δ，当

作用在构件端部的荷载P未达到某一限值[1]时，构件始终保持着挺直的稳定平衡状态，Δ=0，构件只承受均匀的压应力，同时沿构件的轴线只产生相应的压缩变形。

如果在其横向施加一微小干扰，构件会呈现微小变形，但是一旦撤去此干扰，构件又会立即恢复到原有的直线平衡状态。若果当作用于上端的荷载达到了限值cr P时构件将会发生弯曲，Δ≠0，此时直线平衡状态不稳定，构件由原来挺直的平衡状态转变到与其相邻的伴有微小弯曲的平衡状态。OB表示直线平衡，AC表示弯曲平衡。表示轴心受压直杆随荷载P的增加而取不同的平衡形式的OA，AB，AC线段称为平衡路径。平衡路径在A点发生分支，A点称为分支点，该店的荷载值称为分支点荷载，即为cr P。平衡路径OA上的中心受压直杆处于稳定的直线平衡状态；AB是不稳定的直线平衡状态；AC是稳定的压弯平衡状态。分支点是直线平衡状态从稳定转为不稳定的分界点。直线平衡失稳时，将存在轴向受压和压弯两种不同受力性质的平衡状态的可能，即发生平衡路径的分支。具有上述特征的失稳现象，称为分支点失稳[2]。

2.2.2、极值点失稳（或称无平衡分岔的稳定问题）

偏心受压构件，在荷载开始作用时保持弯曲形式的平衡直到临界状态终止，如图2所示，平衡路径分为OA和AB两端。OA段上的平衡状态是稳定的。下降段上的AB的平衡状态是不稳定的。在平衡稳定阶段，其平衡形式只是原来平衡形式之下变形的加剧，没有出现不同变形状态的分岔点，只有极值点。故此失稳不属于分支稳定问题，因此称之为极值点失稳。

事实上当荷载加至A点时，杆件稍受扰动即由于平衡的不稳定性而立即破坏，故难以绘出下降段AB线。

A点称之为极值点，所对应的荷载称为稳定极限荷载或压溃荷载，P u表示。

因为没有平衡形式的改变，相比之下可见，分支点失稳带有突然性，而极值点失稳则不带有突然性[3].。

实际的轴心受压构件因为都存在初始弯曲和荷载的作用点稍稍偏离构件轴线的初始偏心，因此工程中存在的稳定问题大多数属于极值点失稳。如双向受弯构件和双向弯曲压弯构件发生弹塑性弯扭失稳都属于极值点失稳。而实际工程中一把是将极值点失稳问题转化为分

支点失稳来处理。通过引进某些参数【4】来反映两者之间的差别。2.2.3跃越失稳

如图3（a）所示的两端铰接比较平坦的拱结构，在均布荷载q 的作用下有挠度ω，其荷载—挠度曲线也有稳定的上升段A,但是因为结构已经破坏，但是到达曲线的最高点A点时会突然跳跃到一个非临近的具有很大变形的C点，拱结构顷刻下垂。在荷载—挠曲线上，虚线AB是不稳定的，BC段虽然是稳定的而且一直是上升的，但是因为结构已经破坏，故不能利用。与A点对应的荷载cr q是坦拱的临界荷载。这种失稳现象称为跃越失稳，它既无平衡分岔点，有无极值点，但和不稳定分岔失稳又有某些相似的现象，都在丧失稳定平衡之后又跳跃到另一个稳定平衡状态。扁壳和扁平的网壳结构也可能发生跃越失稳。在图3（b）是发生局部凹陷的网壳结构的点状跃越失稳，而图3(c)是整体跃越失稳。带有缓坡的有侧移大跨度门式钢架，当钢架横梁的刚度很弱而侧移刚度却很强时，有可能发生如图3(d)所示的跃越失稳。横梁的初始倾角即横梁的坡度对这类结构的变形影响很大，类同于有缺陷不稳定分岔失稳。缺陷对这类结构的影响也很大。

区分结构失稳类型的性质十分重要，否则不可能正确估量结构的稳定承载力。对于具有平衡分岔失稳现象的结构，如前所述，理论上的屈曲荷载区分成三种情况，一种比较接近于实际的极限荷载，一种大于实际的极限荷载，一种远小于实际的极限荷载。大挠度理论才能揭示具有平衡分岔的结构屈曲后的性能，然而大挠度理论分析实际结构的计算过程十分复杂。对于稳定的临界状态，结构体系在其相邻的