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1、硕士研究生课程结构稳定理论与设计读书报告院(系): 土木工程与建筑学院 专业： 建筑与土木工程 任课教师: 研究生姓名: 学号: 成绩： 日期： 2014年 月 日 钢结构稳定原理读书报告【摘要】经过两个多星期的阅读，终于将钢结构稳定原理读了一遍。本书主要介绍钢结构稳定的基本理论，包括轴心受压构件的稳定、压弯构件的稳定，受弯构件的稳定、框架平面内的稳定和板的稳定等，本书主要侧重于稳定基本概念和基本分析方法的介绍，使我对钢结构的稳定设计有了一定的了解，比如我们都知道钢材有设计强度和极限强度，好像这与稳定没有什么联系，而这本书专门有一篇写到这个问题，从失稳现象可以得出，强度问题和稳定问题是不同层次
2、的结构上的刚度为零的问题。在材料和截面的层次上刚度为零，是强度问题。在杆件和结构层次上刚度为零的问题是稳定问题。本书还阐述了稳定设计的原则和稳定设计的特点，提出了钢结构体系稳定性研究中存在的问题，以便于帮助设计人员更好地完成钢结构的稳定设计。【关键词】钢结构；钢结构稳定；稳定性系数1概述与传统的钢筋混凝土结构相比，钢结构具有减少工程成本、提高抗震强度、节省空间等优点。高强度钢材的使用，施工技术的发展以及电子计算机的应用使钢结构体系的发展和广泛应用成为可能。钢结构日益发展的同时钢结构设计存在的问题也日益增多，稳定性是一个突出问题。现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故，其中影响最大的是1907
3、年加拿大魁北克一座大桥在施工中破坏，9000吨钢结构全部坠入河中，桥上施工的人员75人遇难。破坏是由于悬臂的受压下弦失稳造成的。而美国哈特福特城的体育馆网架结构，平面92m110m，突然于1978年破坏而落地，破坏起因可能是压杆屈曲。以及1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落，1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的支撑有关。在我国1988年也曾发生l3.2l7.99m网架因腹杆稳定位不足而在施工过程中塌落的事故。从上可以看出，钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，所以我们在钢结
4、构设计中，一定要把握好这一关。本文提出了设计中应该掌握的一些钢结构稳定的基本概念，以及钢结构稳定性研究中存在的问题。2钢结构稳定设计的基本概念 2.1 钢结构失稳的类型2.1.1 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。2.1.2 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
5、塑性变形发展到一定程度后的失稳都属于极值点失稳。2.1.3 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。随着稳定问题研究的逐步深入，上述分类看起来已经不够了。设计为轴心受压的构件，实际上总不免有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有偏心。因此，我们要真正掌握这种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也都有个缺陷影响问题。另方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。在钢结构的可能破坏形式中，属于失稳破坏的形式包括：结构和构件的整体失稳、结构和构件的
6、局部失稳。当结构在荷载作用下失稳时，如果结构的大部分区域或者几乎整个结构偏离初始平衡位置儿发生大的几何变形或变位，这样的屈曲失稳现象称为结构的整体失稳。当结构在荷载作用下失稳时，如果结构中偏离初始平衡位置的失稳变形仅限于结构的某个或某些局部区域，而其他区域几乎未发生偏离初始平衡位置的变形，也就是说结构的几何外形总体上未发生明显的变化，这样的屈曲失稳现象称为结构的局部失稳。2.2 钢结构稳定计算的影响因素在设计中一般都是将钢结构看成是完善的结构体系，而事实上并非如此。影响钢结构稳定计算的因素主要有: 1）物理、几何不确定性：如材料(弹性模量，屈服应力，泊松比等)、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始
7、变形等。2）统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏信息造成的。3）模型的不确定性：为了对结构进行分析。所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。2.3 稳定性系数的确定稳定系数讨论的是结构，构件的整体稳定系数。 2.3.1 轴心受压构件轴心受压构件的整体稳定系数定义如下： 整体稳定系数j值应根据截面分类和构件的长细比，查表求的。稳定系数j值可以拟合柏（Perry）公式的形式来表达，即：
8、此时值不再以截面的边缘屈服为准则，而是先按最大强度理论确定出杆的极限承载力后再反算出值。因此式中的值实质为考虑初弯曲、残余应力等综合影响的等效初弯曲率。但当（即）时，Perry公式不再适用，规范采用一条近似曲线，使与相衔接，即：系数分别等于以0.41（a类界面）、0.65（b类界面）、0.73（c类界面）和1.35（d类界面）。2.3.2 受弯构件受弯构件的整体稳定系数和轴心受压构件的整体稳定系数的定义公式相同。 梁的整体稳定系数表达式： 上述整体稳定系数是按弹性理论求得的。研究证明，当求得的大于0.6时，梁已进入非弹性工作阶段，整体稳定临界应力有明显的降低，必须对进行修正。规范规定，当按上述
9、公式或表格确定的0.6时，用下式求得代替，进行梁的整体稳定计算： 当梁的整体稳定承载力不足时，可采用加大梁的截面尺寸或增大侧向支承的办法予以解决，前一种方法中尤其是增大受压翼缘的宽度最有效。2.3.3 拉弯和压弯构件对于拉弯，压弯构件根据弯矩作用不在不用的平面可分为弯矩作用在平面内的稳定计算表达式和弯矩作用在平面外的稳定计算表达式。弯矩作用在平面内的稳定。采用表示其整体稳定系数，的值通过查表求得，和轴心受压构件的稳定系数相同。弯矩作用在平面外的稳定。此情况，有两个稳定计算系数和。其中表示弯矩作用外的轴心受压构件稳定系数，表示均匀弯曲梁的整体稳定系数。为了设计上的方便，规范对压弯构件的整体稳定系
10、数采用近似计算公式，这些公式已考虑了构件的弹塑性失稳问题，因此大于0.6时不必再换算。（1） 工字形截面（含H型钢） 双轴对称时：，但不大于1.0 单轴对称时：，式中,和分别为受压翼缘和受拉翼缘对y轴的惯性矩。 （2）T形截面 i. 弯矩使翼缘受压时 双角钢T形： 两板组合T形（含部分T型钢）： Ii.弯矩使翼缘受拉且腹板宽厚比不大于时： （3）箱型截面 2.4 增强轴心受压构件稳定性措施 2.4.1 增加轴心受压构件整体稳定措施加强实腹式轴心受压构件的整体稳定性应该从设计入手。首先，不宜将杆件的计算长度设计过长。其次，可以在构件中部设置侧向支承，减小构件的计算长度，调高构件的稳定性。另外，对
11、于组合截面，例如工字形截面轴心受压构件，应尽可能将截面形状设计得开展一些，选用宽薄的板件，以期获得较大的回转半径，减小长细比。最后。还可以通过两个轴的等稳定性设计，即使，使构件的控制能力得到提高，这样既可以满足稳定性，又经济合理。2.4.2 增强轴心受压构件局部稳定性措施设计时所选截面如不满足规定，一般应调整板件厚度或宽度使其满足要求。对工字形和箱型截面的腹板也可采用设置纵向加劲肋的方法予以加强，以较小板幅的宽度，缩减腹板计算高度。纵向加劲肋宜在腹板两侧成对配置，其一侧外伸宽度不应小于，厚度不应小于。纵向加劲肋通常在横向加劲肋之间设置，横向加劲肋的尺寸要求同受弯构件腹板向加劲肋。所不同的是横向
12、加劲肋间距可放宽到不超过。另外一种方法是允许腹板中间部分屈曲，而在计算构件的强度和稳定性时，仅考虑腹板计算高度边缘范围内两侧各位的部分作为有效截面。在计算构件整体稳定性系数时仍用全部截面。若采用小截面验算构件的强度和整体稳定性满足要求，则不再验算腹板的局部稳定。 2.5 增强受弯构件稳定措施 2.5.1 增强受弯构件整体稳定措施 提高梁的侧向抗弯刚度、抗扭刚度和抗翘曲刚度。而材料的弹性模量，剪切模量很难改变，主要是增大、，即增大翼缘宽度分散截面。减小梁的跨度。横向荷载在界面上作用位置对临界弯矩有影响，一般通过提高a值未增强梁的整体稳定。 2.5.2 增强受弯构件局部稳定措施 对翼缘的局部稳定，
13、通常是采用限制翼缘板得宽厚比来保证的，对于腹板的局部稳定，可采用厚度较大的板做腹板，也可采用较薄的板做腹板并在腹板上设置加劲肋。 2.6 增强压弯拉构件的稳定措施 2.6.1 增强压弯构件的整体稳定 增大轴心压力的稳定系数，从而需要减小构件的长细比即减小计算长度，增大截面回转半径。增大弯矩作用平面内受压纤维毛截面模量，是截面开展。减小压弯构件的计算长度，从而使截面的最大弯矩减小，提高整体稳定性。 2.6.2 增强压弯构件的局部稳定 由于压弯构件翼缘的受力情况与受弯构件翼缘的受力情况相同，其临界应力计算相同，因此其改善局部稳定的措施也基本相同。对于腹板也主要是通过设置纵向加劲肋来加强其局部稳定性
14、。 2.7 稳定与强度的区别轴心受力构件的强度和稳定计算，GB 50017-2003 钢结构设计规范中规定分别为:和，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:，临界力与材料特性E 、截面特性I 以及长度 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。2.8 钢
15、结构稳定设计的原则2.8.1 结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求。目前大多数结构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。就如上述的1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落，1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的文撑而造成平面失稳。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。2.8.2 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。目前在设计单
16、层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。GB 500172003规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定，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倚载。”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
17、用方法所依据的简图不一致的情况还可举出以下两种，即附有摇摆柱的框架和横梁受有较大压力的框架。这两种情况若按规范的系数计算，都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。2.8.3 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，应分别赋予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。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，
18、同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。2.9 钢结构稳定设计特点2.9.1 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。2.9.2 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。2.9.3 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
19、遍用于应力问题的迭加原理。在弹性稳定计算中不能应用。这是因为迭加原理的应用应以满足以下条件为前提： 材料服从虎克定律变成正比； 结构的变形很小。而弹性稳定计算一般均不能满足第个条件，非弹性稳定计算则两个前提都不符合。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钢结构稳定性研究中存在的问题钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题：1）目前
20、在网壳结构稳定性的研究中，梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁- 柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁- 柱单元进行过修正。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。2） 在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。3） 预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。4） 钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范
21、围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。以上都是钢结构稳定设计中存在的问题，只有我们进一步地深入研究这些稳定，钢结构稳定理论将会进一步完善，如对于钢结构稳定设计中涉及到随机因素的影响，国外已经引入了钢结构稳定的可靠度设计，这也表明了钢结构稳定设计理论也在不断的完善。4结语钢结构稳定问题是很复杂的,尤其当构件存在初始缺陷、残余应力以及非线性因素的影响时,就更增加了解决稳定问题的难度。另外,在工程结构稳定性的研究领域中,还存在很多尚未解决的难题。比如:大跨度桥梁、大跨度薄壳、大跨度大空间网壳、高层与超高层建筑结构的双重非线性动力稳定性等问题。只有深入研究并解决这些难题,钢结构稳定设计理论才会不断地完善。 【参考文献】： 1 陈骥钢结构稳定理论与设计M第3 版北京: 科学出版社，2006 2 陈绍蕃钢结构稳定设计指南M第2 版北京: 中国建筑工业出版社，2004 3 沈祖炎陈扬骥网架与网壳M上海: 同济大学出版社，1997 4 文枚，李洪昌钢结构住宅的发展及结构设计概述J 山西建筑，2010,36(8):97-98 5 陈绍蕃钢结构设计原理M北京：科学出版社,2000:23-25 6 朱步范,罗建华钢结构稳定性设计计算要点J.新疆石油科技,1983,3
