清华大学钢结构课程精品资料

轴心受压构件--弯扭失稳 弯扭失稳
受弯构件--弯扭失稳 弯扭失稳
3.2 结构和构件的局部失稳(Local Buckling)
一、局部失稳的基本概念 局部失稳的基本概念
3.2
结构和构件局部失稳是指结构和构件在保持整体 稳定的条件下，结构中的局部构件或构件中的板件已 结构中的局部构件或构件中的板件已 不能承wenku.baidu.com外荷载作用而失去稳定。
结 构 和 构 件 的 局 部 失 稳
二、局部与整体相关稳定 局部与整体相关稳定
3.2
对于局部失稳后仍有屈曲后强度(Postbuckling Strength)的结构和构件， ，虽能继续承 载，但其最后的整体失稳极限荷载将受到局 但其最后的整体失稳极限荷载将受到局 部失稳的影响而降低，这时出现的整体稳定 这时出现的整体稳定 称为局部与整体相关稳定。
极值点失稳
3.1 结 构 的 整 体 失 稳 破 坏
二、失稳的类别
关于平衡分岔失稳与极值点失稳的说明： 关于平衡分岔失稳与极值点失稳的说明
在平衡分岔失稳中，失稳现象都是在理想条件下 失稳现象都是在理想条件下 发生的，即构件无初始几何缺陷(Initial Geometric Imperfection)，荷载无偏心(Eccentric Load)。实际的构件 在受力之前都不可避免的存在初始缺陷，初始缺陷使 在受力之前都不可避免的存在初始缺陷 构件的极限荷载有所降低。但是，对于具有稳定分岔 对于具有稳定分岔 失稳性质的构件，初始缺陷的影响很小 初始缺陷的影响很小，有些特殊情 况，其极限荷载仍可能高于屈曲荷载 其极限荷载仍可能高于屈曲荷载。 以实际的轴心受压构件为例，由于初始缺陷的存 由于初始缺陷的存 在，使其一旦受的荷载的作用，就会产生弯曲变形 就会产生弯曲变形， 它不会是理想的轴心受压，而是处于压弯状态 而是处于压弯状态。因而 其失稳为极值点失稳，与极值点对应的荷载 u才是实 与极值点对应的荷载P 际的轴心受压构件的极限荷载。
3.1 结 构 的 整 体 失 稳 破 坏
二、失稳的类别
2、极值点失稳(Extreme Point Buckling)
偏心受构件在荷载作 用下的荷载-挠度曲线如 图，在曲线的上升段 OAB，构件的挠度随荷 载而增加，处在稳定平衡 状态；荷载继续增加，曲 线出现下降段BC，表示 维持平衡的条件是减小构 件端部的压力，处于不稳 定平衡状态。 曲线极值点B标志了 偏心受压构件在弯矩作用 的平面内达到了极限状 态。
扭转失稳(Torsional Buckling) 弯扭失稳(Torsional-Flexural Buckling) Flexural 弯扭失稳(Lateral-Torsion Buckling)
受弯构件
结 构 的 整 体 失 稳 破 坏
轴心受压构件--弯曲失稳 弯曲失稳
轴心受压构件--扭转失稳 扭转失稳
3.2 结 构 和 构 件 的 局 部 失 稳
厚实截面(Compact Section)：构件受弯形成塑性铰
但不发生塑性转动时，板件不会发生局部失稳 板件不会发生局部失稳，应用 于弹塑性设计。
非厚实截面(Semi-Compact Section)：构件受弯并 Compact
当边缘纤维达到屈服点时，板件不会发生局部失稳 板件不会发生局部失稳， 应用于弹性设计。
塑 性 和 脆 性 破 坏
二、应力塑性重分布(Plastic Redistribution of Stress)
3.3
对于由低碳钢做成的构件，当截面上的高峰应 当截面上的高峰应 力达到屈服强度后，由于流幅的存在 由于流幅的存在，不均匀的应 力会逐渐趋向平均，出现了塑性应力重分布 出现了塑性应力重分布。
三、稳定问题的特点
1、多样性
钢结构的稳定问题普遍存在于钢结构的设计中，凡 钢结构的稳定问题普遍存在于钢结构的设计中 是结构的受压部位，在设计时都要必须考虑其稳定性 在设计时都要必须考虑其稳定性。 钢结构的失稳，在形式上具有多样化特点 在形式上具有多样化特点。如轴心 受压构件的弯曲失稳是最常见的屈曲形式，它还可能出 受压构件的弯曲失稳是最常见的屈曲形式 现扭转失稳以及弯扭失稳的形式。
3.1 结 构 的 整 体 失 稳 破 坏
刚架的失稳变形
三、稳定问题的特点
3、相关性
不同失稳模式的耦合作用； 局部稳定和整体稳定的相关
3.1 结 构 的 整 体 失 稳 破 坏
局部、整体稳定的相关 整体稳定的相关 弯扭屈曲
三、稳定问题的特点
4、稳定分析要进行二阶分析
二阶分析(Second Order Analysis)是针对已变形的结 构来分析它的平衡的；通常把不考虑变形对外力效 通常把不考虑变形对外力效 应的影响称为一阶分析(First Order Analysis) ，一阶 分析是针对未变形的结构来分析它的平衡。 分析是针对未变形的结构来分析它的平衡
3.1 结 构 的 整 体 失 稳 破 坏
轴心受压构件的失稳形式
三、稳定问题的特点
2、整体性
结构是由各个杆件组成为一个整体的，当一个杆件 结构是由各个杆件组成为一个整体的 发生失稳变形后，它必然牵动与它连接的其他杆件 它必然牵动与它连接的其他杆件。因 此，杆件的稳定不能就某个杆件去孤立地分析 杆件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 这种约束作用是要从结 构的整体分析来确定的，这即是结构稳定的整体性问 这即是结构稳定的整体性问 题。
足够的稳定性
知识的回顾
构件正常工作的条件： ：
足够的强度 足够的刚度 足够的稳定性 强度Strength：构件抵抗破坏的能力 件抵抗破坏的能力 不因材料强度被超过而失效 刚度Stiffness：构件抵抗变形的能力 件抵抗变形的能力 不因发生过大的变形而失效 稳定性Stability：构件保持原有平衡形式的能力 构件保持原有平衡形式的能力 在压力、弯矩、剪力单独或共同作用下不因 剪力单独或共同作用下不因 发生与原受力状态不符的较大变形而失效
2、单个构件的局部屈曲
对于由板件组成的单个构件，当板件受压时且荷 当板件受压时且荷 载达到屈曲荷载时，板件会发生出平面的凸曲 板件会发生出平面的凸曲，不在 保持其原来的平直状态，即发生了屈曲 即发生了屈曲，但就构件来 说，板件屈曲后构件仍具有较大的承载能力 板件屈曲后构件仍具有较大的承载能力，不会因 板件的局部屈曲而破坏。
薄柔截面(Slender Section)：构件受弯时会发生局部
失稳，按利用屈曲后强度的设计方法设计 按利用屈曲后强度的设计方法设计。
3.3 塑性和脆性破坏(Plastic and Brittle Failure)
一、 塑性和脆性破坏
3.3
结构在不发生屈曲(Buckling)的情况下 的情况下，当结 构构件截面上的内力达到其承载力(Load-carrying Capacity)并使结构成为几何可变体系时 并使结构成为几何可变体系时，结构将 丧失承载能力而破坏，这即为结构的强度破 这即为结构的强度破 坏。 在强度破坏中，如果破坏时已经产生了明显 如果破坏时已经产生了明显 的变形，容易被觉察和采取补救措施 容易被觉察和采取补救措施，则为塑 性破坏(Plastic Failure)；若在结构破坏前未产生 若在结构破坏前未产生 明显的变形，没有任何征兆，不出现异样 不出现异样，破 坏过程瞬间发生，则为脆性破坏(Brittle Failure)。 则为脆性破坏
一、稳定的概念
3.1
稳定的定义(Stability)
结构在荷载作用下产生某种特定变形，处于平衡状态。
稳定性即是描述结构维持这种平衡状态的能力。
平 衡
稳定的平衡
临界状态
状
不稳定的平衡
态
(屈曲Buckling) Buckling)
结 构 的 整 体 失 稳 破 坏
二、失稳的类别
1、平衡分岔失衡(Bifurcation Buckling)
一阶弯矩： M1=αP(h-x)
3.1 结 构 的 整 体 失 稳 破 坏
二阶弯矩： M2=αP(h-x)+P(δ-y)
三、稳定问题的特点
5、叠加原理不再适用于稳定分析 叠加原理不再适用于稳定分析
叠加原理应用的前提是： (1)材料符合虎克定律； (2)结构的变形很小，用一阶分析来计算 用一阶分析来计算。 稳定分析要进行二阶分析，所以叠加原理不再 所以叠加原理不再 适用。
完善的轴心受压构件，荷载到达A点后 点后，图a的荷载-挠度 曲线呈现了两个可能的平衡途径，直线AC AC和水平线AB(或 AB’)，在同一点A出现了岔道，Pcr称为临界荷载 称为临界荷载(Critical Load)，由于在同一个荷载点出现了平衡分岔现象 由于在同一个荷载点出现了平衡分岔现象，所以称为 平衡分岔失稳。 完善的(无缺陷 的、挺直的)轴心受压 构件，完善的在中面 内受压平板的失稳， 理想的受弯构件以及 受压圆柱壳等的失稳 都属于这类失衡。
3 钢结构的破坏形式
Failure Modes of Steel Structure
3 钢结构的破坏形式
3.1 结构的整体失稳(Global Buckling)破坏 3.2 结构和构件的局部失稳(Local Buckling) 3.3 塑性和脆性破坏(Plastic and Brittle Failure) 3.4 结构的疲劳破坏(Fatigue Failure) 3.5 结构的累积损伤(Cumulative Damage)破坏 3.6 防止钢结构各种破坏的总体思路
结 构 和 构 件 的 局 部 失 稳
三、截面的分类
受压板件局部失稳的屈曲荷载与板件的宽 厚比(Width-Thickness ratio)有关，依据板件宽厚 依据板件宽厚 比的不同可将截面分为四类： 特厚实截面(Plastic Section)：板件的宽厚比最小 板件的宽厚比最小，
即使在构件受弯形成塑性铰并发生塑性转动时，板件 即使在构件受弯形成塑性铰并发生塑性转动时 仍不会发生局部失稳，应用于塑性设计 应用于塑性设计。
3.1 结 构 的 整 体 失 稳 破 坏
二、失稳的类别
3、跃越失稳(Snap-through Buckling) through
3.1 结 构 的 整 体 失 稳 破 坏
跃越失稳
两端铰接较平坦的拱，在均布荷载q作用下产生挠度δ，其 作用下产生挠度 荷载-挠度曲线有稳定的上升段OA，但是达到曲线的最高点 但是达到曲线的最高点A 时会突然跳跃到一个非邻近的具有很大变形的C点，拱顷刻下 时会突然跳跃到一个非邻近的具有很大变形的 垂。虚线AB是不稳定的，BC段虽然是稳定的而且一直是上升 段虽然是稳定的而且一直是上升 的，但是结构已经破坏，不能被利用，与 与A点对应的荷载qcr即 为坦拱的临界荷载，这种失稳称为跃越失稳 这种失稳称为跃越失稳。
3.1 结 构 的 整 体 失 稳 破 坏
四、钢构件的整体稳定 钢构件的整体稳定(Overall Stability)
3.1
钢构件的整体稳定因截面形式的不同 和受力状态的不同可以有各种形式： 和受力状态的不同可以有各种形式
弯曲失稳(Overall Flexural Buckling)
轴心受 压构件
3.1 结构的整体失稳(Global Buckling)破坏
知识的回顾
构件正常工作的条件： ：
足够的强度 足够的刚度 足够的稳定性 强度Strength：构件抵抗破坏的能力 件抵抗破坏的能力 不因材料强度被超过而失效
知识的回顾
构件正常工作的条件： ：
足够的强度 足够的刚度 足够的稳定性 强度Strength：构件抵抗破坏的能力 构件抵抗破坏的能力 不因材料强度被超过而失效 刚度Stiffness：构件抵抗变形的能力 件抵抗变形的能力 不因发生过大的变形而失效
构件的局部失稳
结 构 和 构 件 的 局 部 失 稳
一、局部失稳的基本概念 局部失稳的基本概念
3.2
1、整体结构的局部屈曲(Local Buckling)
对于整体结构中的某个构件，当其达临界荷载或失 当其达临界荷载或失 稳极限荷载后，构件仍有一定的承载能力 构件仍有一定的承载能力。若此结构 是超静定结构，而且局部构件的失稳不会导致整体结 而且局部构件的失稳不会导致整体结 构或结构的局部形成机构，整个结构不会因局部构件 整个结构不会因局部构件 的失稳而失去承载力，此时，结构失去了局部稳定 结构失去了局部稳定。