浅析结构失稳破坏

浅析钢结构的失稳破坏

土木工程学院2008级 王贤顺 20080420426

建筑结构破坏事故的发生,因失稳破坏者屡见不鲜。由于钢结构强度高,用它制成的构件比较细长,截面相对较小,组成构件的板件宽而薄,因而在荷载作用下容易失去稳定性。

结构或压杆在压缩载荷或其他特定载荷作用下,在某一位置保持平衡构形,当载荷小于一定的数值时,微小外界扰动使其偏离初始平衡构形,外界扰动除去后,构件仍能回复到初始平衡构形,则称初始平衡是稳定的;当载荷大于一定的数值时,微小外界扰动使其偏离初始平衡构形,外界扰动除去后,构件不能回复到初始平衡构形,则称初始平衡是不稳定的。

不稳定的平衡构形在任一微小的外界扰动下,都要转变为其他形式的平衡构形,这种过程称为失稳。失稳就是稳定性失效,也就是受力构件散失保持稳定平衡的能力,比如指结构或构件长细比（如构件长度和截面边长之比）过大而在不大的作用力下突然发生作用力平面外的极大变形而不能保持平衡的现象。失稳将导致构件失效,这种失效称为屈曲失效。由于屈曲失效往往具有突发性,常常会发生灾难性后果,因此研究结构的屈曲失效在工程设计中是非常重要的。

稳定的平衡位置与不稳定的平衡位置之间的分界点称为临界点,临界点所对应的载荷称为临界载荷Pcr 。

随着工程材料的发展,构件可以做得更精美,对深入研究和解决稳定问题更为重要,尤其是确定压杆或结构的临界载荷。归纳起来,确定结构失稳的最小载荷,即是确定结构失稳的临界载荷;确定结构承载的最大极限值,也是确定结构的临界载荷;确定结构的许可载荷是确定含有安全系数的临界载荷。

工程设计中静定结构的临界载荷的确定,只要是组成静定结构的构件之一失稳时,结构将失去平衡能力,此时的外载荷就是结构的临界载荷。静不定结构也叫超静定结构,它含有平衡要求之外的多余构件,称多余约定,当多余约束失稳时,结构仍具有承载能力,只有当最后的静定结构也失去平衡能力时,对应的载荷才是静不定结构的临界载荷。

稳定性的计算

欧拉公式:

稳定性条件

式中 ------压杆所受最大工作载荷

------压杆的临界压力

------压杆的规定稳定安全系数

1.结构失稳的分类

1.1第一类稳定问题或者具有平衡分岔的稳定问题(也叫分支点失稳)。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。其特征是：当荷载逐渐增加时，结构原有的平衡形式被破坏了，并出现了与原平衡形式有本P E I l cr =πμ22

()P P n cr st max []≤

质区别的新的平衡形式，由稳定平衡转变为不稳定平衡，出现了稳定性的转变。分支点是平衡状态从稳定转变为不稳定的分界点。在分支点处所对应的荷载称为屈曲荷载或临界荷载。

1.2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能力属于这一类。

钢结构失稳分为整体失稳和局部失稳,相应的钢结构的失稳事故分为整体失稳事故和局部失稳事故。

2.整体失稳事故原因分析

2.1 设计错误

设计错误主要与设计人员的水平有关。如,缺乏稳定概念;稳定验算公式错误;只验算基本构件的稳定,忽视整体结构的稳定验算;计算简图及支座约束与实际受力不符,设计安全储备过小等等。

2.2 工作缺陷

制作缺陷通常包括构件的初弯曲、初偏心、热轧冷加工以及焊接产生的残余变形等·这些缺陷将对钢结构的稳定承载力产生显著影响。

2.3 临时支撑不足

钢结构在安装过程中,当尚未完全形成整体结构之前,属几何可变体系,构件的稳定性很差。因此必须设置足够的临时支撑体系来维持安装过程中的整体稳定性。若临时支撑设置不合理或者数量不足,轻则会使部分构件丧失稳定,重则造成整个结构在施工过程中倒塌或倾覆。

2.4 使用不当

结构竣工投入使用后,使用不当意外因素也是导致失稳事故的主因。例如,使用方随意改造使用功能;改变构件的受力状态;由积灰或增加悬吊设备引起的超载;基础的不均匀沉降和温度应力引起的附加变形;意外的冲击荷载等等。

3．局部失稳事故原因分析

局部失稳主要是针对构件而言,其失稳的后果虽然没有整体失稳严重,但对以下原因引起的失稳也应引起足够的重视。

3.1 设计错误

设计人员忽视甚至不进行构件的局部稳定计算,或者验收方法错误,致使组成构件的各类板宽厚比和高度比大于规范限值。

3.2 构造不当

通常在构件局部受集中力的部位,原则上应设置构造加劲肋。另外,为了保证构件在运转过程不变形也必须设置横隔、加劲肋等。但实际工程中,加劲肋数量不足、构造不当的现象比较普遍。

3.3 原始缺陷

原始缺陷包括钢材的负公差严重超规,制作过程中焊接等工艺产生的局部鼓曲和波浪变形等。

3.4 吊点位置不合理

在吊装过程中,尤其是大型的钢结构构件,吊点位置的选定十分重要。吊点位置不同,构件受力的状态也不同。有时构件内部过大的压应力将会导致构件在吊装过程中局部失稳。

4.失稳事故的处理与防范

钢结构失稳事故应以防范为主,应该遵守以下原则。

4.1 强化稳定设计理念

结构的整体布置必须考虑整个体系及其组成部分的稳定性要求,尤其是支撑体系的布置。结构稳定计算方法的前提假定必须符合实际受力情况,尤其是支座约束的影响。

a·构件的稳定计算与细部构造的稳定计算必须配合,尤其要有强节点的概念。

b·强度问题通常采用一阶分析,而稳定问题原则应采用二阶分析。

c·叠加原理适用于强度问题,不适用于稳定问题。

d·处理稳定问题应有整体观点,应考虑整体稳定和局部稳定的相关影响。

4.2 制作单位应力求减少缺陷

在常见的众多缺陷中,初弯曲、初偏心、残余应力对稳定承载力影响最大,

因此,制作单位应通过合理工艺和质量控制措施将缺陷减低到最小程度。

4.3施工单位应确保安装过程中的安全施工单位只有制定科学的施工组织

设计,采用合理的吊装方案,精心布置临时支撑,才能防止钢结构安装过程中失稳,确保结构安全。

4.4 使用单位应正常使用钢结构建筑物使用单位要注意对已建钢结构的定期检查和维护,当需要进行工艺流程和使用功能改造时,必须与设计单位或有关

专业人士协商,不得擅自增加负荷或改变构件受力。