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钢结构稳定理论与设计学习报告钢结构具有高强、质轻、力学性能良好的优点，是制造结构物的一种极好的建筑材料。钢结构与在建筑结构中应用广泛的钢筋混凝土结构相比，对于充任相同受力功能的构件，具有截面轮廓尺寸小、构件细长和板件柔薄的特点。对于因受压、受弯和受剪等存在受压区的杆件和板件，如果技术上处理不当，可能使钢结构出现整体失稳和局部失稳。失稳前结构物的变形可能很微小，突然失稳使结构物的几何形状急剧改变而导致结构物完全丧失抵抗能力，以致整体塌落。引起钢结构失稳事故的原因包括设计错误、制造和安装误差以及使用不当等。钢结构的稳定性能是决定其承载力的一个特别重要因素。就不同类型的稳定问题研究内容一般包括构件发生平面变位的稳定问题以及构件和薄板发生空间变位的稳定问题。1.概述1.1钢结构失稳的类型钢结构失稳现象是多种多样的，但是就其性质而言，可以分为以下三类：1.1.1第一类失稳，也叫平衡分岔失稳，构件会在同一荷载点出现平衡分岔现象。根据构件在屈曲后的荷载—挠度曲线变化的不同，平衡分岔失稳又可以分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳。完善的轴心受压构件和薄板的失稳都是属于第一类失稳。1.1.2第二类失稳，也叫极值点失稳。具有极值点失稳的构件的荷载—挠度曲线只有极值点，没有出现如完善的轴心受压构件的不同变形状态的分岔点，构件弯曲变形的性质也没有改变。极值点失稳的现象十分普遍，偏心受压构件在弹塑性变形发展到一定程度后的失稳都属于极值点失稳。1.1.3跃越失稳。跃越失稳既无平衡分岔点，又无极值点，和不稳定分岔失稳有一些相似的地方，都在丧失稳定平衡之后又跳跃到另一个稳定平衡状态。区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。曾有学者研究指出结构体系在平衡分岔点的屈曲荷载稳定与否决定了该结构体系屈曲后的性能。1.2稳定问题的计算方法我们知道并非处于平衡状态的结构都是稳定的。结构稳定问题的分析方法都是针对着在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究结构或构件失稳时出现的变形相对应。首先需要清楚结构或构件的计算简图，图中应展示其变形和作用着的内外力。构件失稳时产生的变形可能受到与其相连接构件约束的影响，有时甚至还可能与整个结构的变形有关，因此需要着眼于整个结构来分析稳定问题。由于所研究的结构变形与荷载之间呈非线性关系，因此稳定计算属于几何非线性问题，采用的是二阶分析的方法（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）稳定问题的计算方法有以下三种：1.2.1平衡法中性平衡法或静力平衡法，简称平衡法，是求解结构稳定极限荷载的最基本方法。平衡法是根据已产生了微小变形后结构的受力条件建立平衡方程而后求解的。平衡法只能求解屈曲荷载，但不能判断平衡状态的稳定性。在许多情况下，采用平衡法可以获得精确解。1.2.2能量法按照小变形理论，能量法一般只能获得屈曲荷载的近似解;但是，如果能够事先了解屈曲后的变形形式，采用此变形形式计算可以得到精确解。能量法用于大挠度理论分析，可以判断屈曲后的平衡是否稳定。稳定平衡时总势能最小的原理称为最小势能原理。我们可以用总势能驻值原理求解屈曲荷载，而用总势能最小原理可以判断屈曲后平衡的稳定性。1.2.3动力法处于平衡状态的结构体系，如果施加微小干扰使其发生振动，这是结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。动力法属于结构动力稳定问题。1.3稳定与强度的区别轴心受力构件的强度和稳定计算，GB50017-2003钢结构设计规范中规定分别为:nNfA和NfA，从公式的形式上看，两者差不多，但却迥然不同。强度计算是针对某个特定的截面，仅与该界面的净截面面积有关，反映了结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力是否超过材料的极限强度，属于应力分析；而稳定计算是针对整个结构的，构件在弹性范围内的临界力，可应用著名的欧拉公式:22EEINl，临界力与材料特性E、截面特性I以及长度l均有关，因此不再是个别截面的问题。稳定分析是要找到外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，也就是结构或者构件的变形开始急剧增长的状态，属于变形分析。1.4稳定分析的特点1）稳定问题与强度问题有本质差别；2）稳定问题必须考虑变形后的位形；3）稳定问题无静定和超静定的差别，静定和超静定都要有荷载变形关系才能求解；4）失稳具有多样性，如弯曲失稳、扭转失稳、弯扭失稳等；5）失稳破坏一般很难出现塑性铰。1.5钢构件各种缺陷对钢结构稳定的影响实际工程中的钢构件不可避免地存在各种缺陷，而非理想中的完善直杆。钢构件的缺陷一般包括几何缺陷和力学缺陷。由于几何缺陷是客观存在的，在稳定问题的分析中，已经比较普遍地作为不可忽视的因素加以考虑。不过不同的构件或结构对缺陷敏感的程度不同，对于某些情况，缺陷影响是可以忽略不计的。除几何缺陷外，杆件在承受荷载之前存在的残余应力也可看成一种缺陷，即力学缺陷。残余应力虽然在杆件截面上自相平衡，且不影响截面的强度，但是它对杆件的刚度有不利影响，从而也影响它的稳定承载力。这也是强度计算和稳定计算的一个重要区别。1.6稳定设计需要注意的问题保证结构及构件的稳定，是钢结构设计的重要内容，《钢结构设计规范》的很大一部分条文都和稳定问题有关，在实际设计中处理稳定问题时需要注意以下几个问题：1）结构计算简图和实用计算方法（包括规范给出的方法）所依据的简图应该相一致。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。问题的核心是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）结构稳定计算与构造设计相符合。构造与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，构造上常有不同与强度的要求或特殊考虑。以上三个原则性问题也可看成是稳定设计必须遵从的基本概念。2.构件的平面变位稳定问题2.1轴心受压构件的弯曲屈曲轴心受压构件的弯曲屈曲分为弹性弯曲屈曲和非弹性弯曲屈曲。对于轴心受压杆的弹性弯曲屈曲，一般在建立弯曲平衡方程是要做一些基本假定，然后以此为条件来建立平衡方程，求解屈曲荷载。在这里要说明的一点是。在建立平衡方程时的一条基本假定是：构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用变形的二次微分表示，即y，而曲率的精确解则是322[1(')]yy。由于按小变形理论理论在建立平衡方程时曲率近似地取了变形的二阶导数，因此求解后只能得到构件屈曲后变形的形状而不能得到构件任一点的挠度值。事实上由于端部约束条件的不同，有必要建立一个通用的方程来求解轴心受压构件的屈曲荷载，陈骥教授的书中通过取隔离体，建立力矩及水平力的平衡方程得到了适用于任何边界条件的轴心受压构件的四阶微分方程0EIyPyⅣ求得上式的通解之后，即可利用构件两端的几何边界条件和自然边界条件来确定其中的积分常数。把各种约束条件构件的crP值换算成相当于两端铰接的轴心受压构件屈曲荷载的形式，其方法是把端部有约束的构件用等效长度为0l的构件来代替。等效长度通常为计算长度，而计算长度0l与构件实际的几何长度之间的关系是0ll，这里的称为计算长度系数。这样一来，具有各种约束条件的轴心受压构件的屈曲荷载转化为欧拉荷载的通式是22()crEIPL如果轴心受压构件是按照大挠度理论来进行分析，则可以揭示构件屈曲后的性能，这是使用的将是曲率的精确解（前文有所提及），关于大挠度分析可以总结以下几点：1）小挠度理论只能指出构件处于中性平衡状态，可以给出分岔点水平线和构件初始屈曲后变形曲线的形状，但是不能确定挠度值；而大挠度理论不仅能说明构件屈曲以后仍处于稳定平衡状态，而且还能给出荷载与挠度的关系式，这时一一对应的确定的数值。2）大挠度理论分析得到的屈曲后的荷载虽然略高于屈曲荷载，但是相对于力的增加挠度增加更快，所以轴心受压构件的屈曲后强度是不能被利用的。初始几何缺陷对轴心受压构件的影响主要包括初弯曲和初偏心，由于初弯曲和初偏心对受压构件的影响都导致出现极值点失稳现象，都使构件的承载力有所下降，两种影响在本质上并无差别。此时在研究实际构件的承载力时，常常把它们的影响一并考虑。由于其影响具有偶然性，有时只取其中一项作为计算实际的轴心受压构件的依据。有关轴心受压构件的非弹性屈曲，历史上主要的理论研究有切线模量理论，即用变化的变形模量tE代替欧拉公式中的弹性模量E，从而获得弹塑性屈曲荷载；而双模量理论则是建议用与tE和E都有关的折算模量rE计算屈曲荷载。但是实际的试验资料表明，实际的屈曲荷载介于两者之间而更接近于切线模量屈曲荷载。直至1946年，Shanley,F.R.提出构件在微弯状态下加载时凸面可能不卸载的概念，并用力学模型证明了切线模量屈曲荷载是弹塑性屈曲荷载的下限，而双模量屈曲荷载是其上限。2.2.压弯构件在弯矩作用平面内的稳定压弯构件又称为梁柱，构件所承受的弯矩均为二阶弯矩，即包括了挠度引起的附加弯矩。和轴心受压构件不同，压弯构件不存在直线平衡状态，在构件端部一开始施加荷载，构件就产生弯曲变形。我们一般需要求解压弯构件在不同荷载和不同边界条件下的变形和内力：也即挠曲线、最大挠度和最大弯矩。通过对比发现，一般说来，挠度引起的附加弯矩将引起构件抗弯刚度的降低。为了使用的方便我们需要找出一般受力条件下压弯构件的最大弯矩与典型压弯构件之间的关系式，分析其受力性能，而后对于其他不同受力条件的压弯构件，可将它们与典型压弯构件作比较，找出它们相互之间的关系，作为压弯构件稳定设计的通式。在推导压弯构件的等效弯矩和等效弯矩系数时，对端弯矩的符号规定是：按照压弯构件受力后的物理现象规定其正负号。使构件产生同向曲率（或称单曲率）变形时，1M和2M均取正值；规定1M和2M使构件产生异向曲律（或称双曲率）变形时取异号，即如取1M为正值时，则2M取为负值，且设12MM。本节上面的研究均是按照弹性稳定理论来进行研究，得到各种受力条件下压弯构件的挠曲线表达式、最大挠度和最大弯矩。但实际上，在轴心压力和弯矩的共同作用下，压弯构件截面边缘纤维开始屈服即进入了弹塑性受力状态，这时随着外荷载的增加，弹性区缩小，构件的抗弯刚度降低，变形加快，导致附加弯矩增加，以致于构件的抗弯能力的增加小于外力作用的增加，达到极限状态时内外力无法平衡，因而发生整体失稳破坏，需根据极值点失稳的条件求解构件的极限荷载。压弯构件的极限荷载计算比较困难，一般情况下都可以用数值积分法得到数值解，但是如果截面的形状比较简单，不计残余应力和初弯曲的影响，外力作用也比较单纯，那么在做了若干简化假定后就可以用解析法得到近似解。解析法中以雅拾克法最为简便。对于有相同弯矩作用于两端的简支压弯构件，雅拾克法也可以计及残余应力和初弯曲的影响。雅拾克法计算两端铰接压弯构件极限荷载的基本假定为：1）材料为理想的弹塑性体2）构件的变形曲线为正弦曲线的一个半波2.3刚架稳定这里我们讨论的是刚架平面内发生弯曲屈曲的稳定问题。在刚架平面内，刚架的失稳形式必须针对刚架的组成和荷载作用的条件进行分析。因组成条件不同，刚架在失稳时其柱顶有无侧移和有侧移两种不同的失稳形式。通过求解可以发现，当刚架的组成和荷载作用条件类同时，有侧移刚架的屈曲荷载总是远小于无侧移刚架，因此在计算刚架的屈曲荷载之前，首先要明确所分析的刚架柱顶是否可能产生侧移；对于已经设置了防止柱顶侧移的支撑系统，还要考察其是否有效。按规定，对于有支撑的刚架，当其抗侧移的刚度大于或等于同类无支撑刚架的五倍时，方认为支撑系统有效，否则仍按无支撑刚架计算其稳定性。为了将理论上求解得到的屈曲荷载应用与刚架柱设计，常常需要把弹性屈曲荷载换算成等效长度的两端铰接轴心受压柱的屈曲荷载。求解刚架的弹性屈曲荷载有两种方法：平衡法和转角位移法。其中用位移法求解刚架屈曲荷载的计算原理和结构力学中求解超静定结构的内力是一致的，具体计算时有所不同的是求解刚架的屈曲荷载时，对于有轴心压力的构件，其转角位移方程需要考虑轴心压力对构件抗弯刚度的影响，而建立了平衡方程以后得到的是求解屈曲荷载的屈曲方程。多层多跨刚架也有无侧移