钢结构设计中的稳定性分析

浅谈钢结构设计中的稳定性分析

摘要在钢结构设计中,稳定是较为重要的一个环节,本文分析了钢结构稳定设计应遵循的原则以及钢结构稳定设计特点,并提出钢结构稳定性设计的计算方法。

关键词钢结构;稳定性

中图分类号tu7 文献标识码a 文章编号

1674-6708(2010)25-0059-02

1 钢结构稳定设计的原则

根据稳定问题在实际设计中的特点提出了三项原则并做了具体阐述:

1)结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致,这对框架结构的稳定计算十分重要。

gb50017-2003规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了5条基本假定,其中包括:“框架中所有柱子是同时丧失稳定的,即各柱同时达到其临界荷载”。按照这条假定,框架各柱的稳定参数杆件稳定计算的常用方法,往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的,设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。在实际工程中,框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况若按规范的系数计算,会导致不安全的后果。

2)设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合,使二者有一致性。

结构计算和构造设计相符合,一直是结构设计中大家都注意的问

题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接,应分别赋与它足够的刚度和柔度,对桁架节点应尽量减少杆件偏心,这些都是设计者

处理构造细部时经常考虑到的。但是,当涉及稳定性能时,构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。

3)结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性。

目前,结构大多数是按照平面体系来设计的,如桁架和框架都是

如此。保证这些平面结构不致出平面失稳,需要从结构整体布置来解决,亦即设计必要的支撑构件。这就是说,平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。由平面桁架组成的塔架,基于同样原因,需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系。

2 钢结构稳定设计特点

1)稳定性整体分析:杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体。稳定分析必须从整体着眼;

2)稳定计算的其它特点:在弹性稳定计算中,除了需要考虑结构

的整体性外,还有一些其他特点需要引起重视,首先要做的就是二

阶分析,这种分析对柔性构件尤为重要,这是因为柔性构件的大变

形量对结构内力产生了不能忽视的影响;其次,普遍用于应力问题

的迭加原理,在弹性稳定计算中不能应用;

3)失稳和整体刚度:现行规范通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法和折减系数法。了解了一些在钢结构设计中应该明确的一些基本概念,有助于我们在设计中更好地处理稳定方面的问题,随着新型钢结构体系地不断发展,我们对稳定问题的研究要求也不

断地提高,之所以在设计中出现结构失稳问题,另一个重要原因就

是我们对新型结构稳定知之甚少,也就是目前钢结构稳定研究中存在的问题。

3 钢结构稳定性计算方法

3.1计算长度法

现行gb 50017-2002钢结构设计规范(以下简称《规范》)利用计算长度系数法对结构中单个柱子稳定性进行验算,从而得出结构的稳定性。规范将框架分为无支撑纯框架和有支撑框架,当采用一阶弹性分析方法计算内力时,框架柱计算长度系数μ按规范查表得出(《规范》5.3.3条),也可以利用《高层民用建筑钢结构技术规程》第6.3.2条近似公式计算。

其中,k1,k2分别为交于柱上下两端的横梁线刚度之和与柱线刚度之和的比值。

在有侧移失稳时,横梁两端的转角大小相等、方向相反。缺点:在实际结构中,梁、柱都存在弯矩和弯曲,并非都是理想的无初弯曲构件,在查计算长度系数表时,只考虑直接与柱子相连的横梁约束作用,结构失稳是整层甚至是整个结构的失稳,而不是单个柱子失稳,而且,结构设计软件在柱子计算长度的确定上经常存在困难。

对于以上问题,现在已有成熟的改进方法:

《规范》5.3.6条规定:附有摇摆柱的无支撑框架柱和弱支撑框架柱计算长度系数应乘以增大系数η:

其中,∑(nf/hf)为各框架轴心压力设计值与柱子高度比值之和;

∑(n1/h1)为摇摆柱轴心压力设计值与柱子高度比值之和。

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中6.1.3条规定:当多跨刚架中间柱为摇摆柱时,边柱计算长度系数应乘以增大系数η。

3.2二阶分析法

《规范》3.2.8条规定,对于的框架结构,需要

较精确的考虑框架整体的二阶效应,宜采用二阶弹性分析,此时

应在每层柱顶增加一水平荷载hni:

其中,qi为第i层楼重力荷载设计值; ns为框架总层数,当时,取1;αγ为钢材强度影响系数。

当柱轴线压力设计大于时,还应在其中央施加水平力

0.01n,以考虑p—δ效应。

p—δ效应具有增大侧移的作用,即不稳定作用。这一效应对层数多而侧向刚度不大的框架影响十分明显,对一、二层框架影响不大。当采用二阶弹性分析方法计算内力,并在每层柱顶考虑假想水平力时,框架计算长度取几何长度。

3.3整体设计法——高等分析法

高等分析法在计算过程中不再需要将框架拆卸成为许多柱和横梁,而是将框架作为一个整体结构直接计算其承载力,使其符合设

计要求,因此在计算过程中只用到框架的几何长度。

现在主要有以下几种高等分析法:1)塑性区法或塑性分布法;2)

弹塑性铰法;3)改进弹塑性铰法;4)等效假想荷载塑性铰法;5)再折减切线模量法。

4 结论

钢结构稳定问题区别于强度问题。在实际设计中,设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能,以免在设计过程中发生不必要的失稳损失;其次,随着新型结构的出现,设计人员对其性能认识的不足,从而导致构件的失稳,就这个问题阐述了新型结构现存的一些问题,并且针对一些问题论述了产生的原因。总之,只有深入了解这些问题,才会使得钢结构稳定理论设计不断地完善。