钢结构稳定问题综述.pdf

2 0 1 3 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与防洪 科技研究2 9 9 钢结构稳定问题综述 张永康 ， 高晓 明 无锡 市政 设计研 究 院有 限公 司 ， 江 苏无 锡 2 1 4 0 7 2 摘要 总结了钢结构设计中稳定问题的特点和分类， 介绍了轴心受压构件及受弯构件整体稳定的计算方法和规范规定， 有关经 验可供相关专业人员参考。 关键词 钢结构 ； 轴心受压构件 ； 受弯构件； 整体稳定； 局部稳定 中图分 类号 T U 3 1 8 文献标 识码 A 文章 编 号 1 0 0 9 7 7 1 6 2 0 1 3 0 7 0 2 9 9 0 5 0 前 言 为了提高截 面效率 、 充分发挥钢材 的强度 ， 钢 结构一般做成薄壁结构，这使得钢结构在大跨方 案 中有着极 大的竞 争力 ， 但也带来 了缺点 结构刚 度小 ， 稳定问题突 出。稳定问题普遍存在于钢结构 的设计中， 在设计时必须认真考虑其稳定性。 1 钢 结构稳定 问题 的特点 钢结构的稳 定问题具有整体性 、多样性 和相 关性 的特点 。 稳定问题与强度 问题不 同 ，它是 一个 变形问 题。一个构件 的变形大小取决于整个构件 的刚度 ， 而不是取决于某一特定截面 ，稳 定问题 是针对整 个构件的。 结构是由各个杆件组成的一个整体。 当 一 个杆件发生失稳变形后 ，它必然牵动和它刚性 连接的其他杆件 。杆件 的稳定性不能就某一根杆 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构的整体分析来 确定的 ， 这就是稳定 的整体性 问题 。 钢结构失稳 ， 在形式上具有多样化特点。各种 受力不 同的杆件具有不 同的失稳形式 ，受弯构件 只发生弯扭失稳 ，而弯压构件则既可 以有平面 内 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 0 6 作者简介 张永康 1 9 8 7 一 ， 男， 山东菏泽人， 助理工程师 ， 从 事桥梁设计工作。 的弯曲失稳， 又可以有平面外的弯扭失稳； 在桁架 结构 中除 了其 中受压的杆件外 ，连接杆件 的节点 板也存在失稳的问题 ；另外桁架和柱子组成 的框 架也有可能失稳等等，这些都是稳定问题多样化 的表现。 稳定的相关性 ，指的是不同失稳模式的耦合 作用 。例如 ， 单轴对称 的轴心受压构件 ， 当在对称 平面外失稳时 ， 是弯曲和扭转的相关屈曲。还有局 部和整体稳定的相关 ，构件板 的局部屈 曲一般并 不立刻导致整体构件丧失承载 能力 ，但它对整体 稳定临界力却有影响。对于存在缺陷的杆件来说， 局部和整体之间相互影响更具有复杂性 。 2 钢结构稳定问题的分类 钢结构构件失稳 的现象是 丰富多彩 的 ，主要 包括轴心受压杆件 的稳定 、 板件 的稳定 、 受 弯构件 的稳定、 压弯构件稳定。 2 ． 1 轴心受压杆件的稳定 轴心受压 的理想直杆 ，当压力未超过一定 限 值时，构件保持平直 ，截面上只产生均匀的压应 力 。当压力达到限值时 ， 构件会 突然发生弯曲 ， 由 原来轴心受压 的平衡形式转 变为与之相邻 的但是 带弯 曲的新 的平衡形式 。此类 失稳称为第一类 失 稳 ，可用图 1 中的曲线 O A B 来表示。理想的构件 实际上是不存在 的 ，轴心受压构件均存 在初 始偏 心距 ， 属于偏心受压构件。实际的轴心受压构件可 l 2l 一1 3 8 ． 【 3 】 K u r a n i s h i S ，Y a b u k i T ， U l t i ma t e s t r e n g t h d e s i g n c ri t e ri a f o r t w o - h i ng e d s t e e l a r c h s t mc t u r e s ，P r o c．o f J S CE S t r u c t u r al En g ． ／ E a r t h q u a k e E n g ． ，1 9 8 4， 1 2 1 1 5 1 2 3 ． o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 8 4， l l O 9 2 2 6 3 2 2 7 4 ． [ 4 1 Y a b u k i T， K u r a n i s h i s ， 0 u t 一 0 f _ v l a n e b e h a v i o r of c i r c u l ar a l c b e s u n d e r s i d e l o a d i n g ， P r o c ．of J S CE，1 9 7 3， N0 ． 21 471 8 2 ． En g ． ／Ea r t h q u ak e E n g ． ， 1 9 8 7 ， 4 1 1 4 1 - 1 4 9 ． 【 5 】Y a b u k i T，Ku r a n i s h i S ，I n p l u me u l t i m a t e s tr e n g t h of d e c k - t y p e fix e d e n d a r c h b rid g e s ，P r o e ．o f J S CE S t r u c t u r al En g ． ／Ea r t h q u ak e E n g ． ， 1 9 8 9 ， 4 2 2 0 5 - 2 1 6 ． 【 6 ] Y a b u k i T ，K u r a n i s h i S ， E v al u a t i o n of s t a b il i t y s t r e n g t h f o r d e c k - t yp e s t e e l a r c h b rid g e s ， S t r u c t u r al Eng ． ／ Ea r th q u a k e En g ． ， J S C E ，1 9 9 3 ， l O 3 1 1 7 s - 1 2 7 s ． [ 7 ] 程霄翔， 异形钢管系杆拱桥稳定性与极限承载能力研究[ D 】 ． 南 京 东南大学 ， 2 0 1 0 ． [ 8 】 万鹏，大跨度钢拱桥极限承载力综合三因素检算方法研究[ D 】 ． 成都 西南交通大学， 2 0 0 5 ． 【 9 ] 谢旭， 李辉， 黄剑源， 大跨度两铰钢拱桥面内稳定分析⋯． 土木工 程学报 ， 2 0 0 4 ， O 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 0 科技研究 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 7月第 7 期 用 图 l中的曲线 O C D表示 ，此类失稳称为第二类 失稳 。 图 1 受压杆件衙载 一 位移 曲线 2 ． 2 板件的稳定 钢结构 中的大型梁柱构件 ， 通常都 由板件焊接 而成。为了用料经济 ， 板件选用得宽而薄。 然而 ， 板 薄就有可能在 面内压力作用下失稳 ，并导致构件 的承载力降低 。另外 ， 在构件连接 的节点构造 中， 也存在板件失稳 的可能性。 四周支承 的薄板在作 用于平 面内的边缘压力 作用下 ，其典 型的荷载 一侧移 曲线 见图 2 。实线 O A B表示理想构件 的情形 ，虚线表示实际构件的 情形。薄板工作性能的特点是 ， 板的屈 曲并不意味 着达到极限承载力 。屈 曲后 ， 板不仅有弯 曲 ， 而且 还产生了中面的拉伸和压缩 ，板 内应力发生重分 布， 荷载向挠度较小的边缘部分转移。荷载可继续 增大 。板的极 限承载力最后取决于受力最大部分 的应力达到屈服强度。 图 2 四边支撑薄板 的荷载 一 位移 曲线 2 ． 3 受弯构件的稳定 受弯构件的失稳不同于轴心受压构件 ， 它在丧 失整体稳定时， 只有弯扭屈曲一种形式促使受弯 构件发生整体失稳的原 因 ，是受压翼缘和相邻的 一 部分腹板随着压应力增大其 刚度将下降 ，当刚 度 下降到一定程度后 ，即不能保持原有的平衡位 形。 然而 ， 由于受到梁受拉部分 的约束 ， 失稳变形不 可能出现在梁的平面 内， 而是出现在平面外。虽然 出平面的侧 向变形也受到受拉部分的牵制 ， 但这种 牵制使梁在侧向弯曲的同时还呈现扭转变形 。 2 ． 4 压弯构件稳定 工程 中常遇到既受压又受弯的压弯构件 ， 它同 时兼有压杆 和梁 的特点 。单轴受弯的压弯构件与 轴心压杆一样 ， 会以平面弯曲的形式失稳， 也可以 像梁一样以既弯又扭的空间变形形式失稳。双轴 受弯 的压 弯构件 则 总是 既弯 又扭 的空 间变 形 失 稳。平面失稳和空间失稳形式是属于两种不同性 质的问题 ， 应加以分别考虑。 3 轴心受压构件整体稳定的计算理论及规 范规定 轴心压杆失稳时可能有三种变形形态 ， 即绕截 面主轴 的弯 曲 、绕构件纵轴的扭转 和弯曲与扭转 的耦合 ，分别称为弯 曲屈 曲 、扭转屈 曲和弯扭 屈 曲。失稳 时出现何种变形形态取决于构件的截面 形状和尺寸 、 构件的长度和支承约束情况等。 轴心受压构件 由稳定状态进入不稳定状态 ， 中 间必然经过 中性平衡状态 。处于中性平衡状态 的 外力称为临界力 ， 可记作 N 截面上相应 的平均压 应力称为临界应力 ， 记作 1 3 “ ， 即 盯 N S A。 我 国规 范对轴心受压构件整体稳定性 的计算 是 限制 由 荷载设计值产生 的平均应力不超过整体稳定临界 应力除以抗力分项系数 ， 即 N A≤ 我 国设计规范 中对轴心受压构件 的值 已用 表 格给出， 供设计时查用。对于不同的失稳形式， 可 以通过不同的长细 比来查得不同的 值 。 实 际1 二 程 中， 残余应力 、 初弯 曲、 初偏心这些缺 陷往往同时存在，但同时达到最不利的可能性较 小 ， 因此现行 钢结 构设计规 范 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 仅考虑两种缺陷 残余应力与初弯曲 。采用了最大 强度准则 ， 用大量的 A曲线归纳确定 ， 见图 3 ， 曲 线 1 ，2就是柱子曲线的边界线。 可见分布较宽 ， 如 用一条 曲线代表这些 曲线显然是不合理的 ，故采 用了基本假定 1 初弯曲； 2 残余应力选用 1 3 种模式 ； 3 假定材料为理论弹塑性体 ， 残余应力 沿杆长各截 面分布相同 ， 不考虑应力退降 的影响 ； 4 未计初偏心和杆件 自重 的影响 ， 按两端铰接来 考虑端部约束 。 考虑截面的不 同形式 、尺 寸和不同的加 T条 件 ，对不同截面的轴压构件分为 a ，h ， c三类 。对 于组成板 件 t ≥4 0 m m 的工字形 、 H形截面 的类别 作 了专 门规定 ，增加 了 d类截面 以适用于厚板结 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与防洪 科技研究3 0 1 图 3 p- 曲线 构。 规范在实腹式轴心受压构件的稳定计算公式中 对各种 因素综合考虑 ， 以单一系数 体现。由于初 弯曲不可避免和规范没有考虑初偏心的影响 ， 在施 工规范中对初始弯曲的矢高和安装误差作了限制。 4 受弯构件整体稳定的影响因素及规范规定 4 ． 1 支承条件对梁整体稳定的影响 分析简支梁的整体稳定问题时 ，涉及到侧向 变形和扭转 问题 ，其简支支座应符合下述 2个条 件 1 梁支座处不能有 x 方 向位移 ， 但可 以绕 v 轴 转动 ； 2 梁支座处不能绕 z 轴转动 ， 但 截面可 以 自 由翘曲。按照这两个条件 ， 理想 的简支支座构造见 图 4，支座处有两根 刚劲 的杆夹住梁 的支承截面 ， 这种 支座构 造 叫做 夹支或叉 支 。规 范 中 4 ． 2 ． 5规 定 梁的支座处应采取构造措施 ， 以防止梁端截 面 的扭转。 图 4 理 想 简 支 支 座 防止梁端截 面扭 转的一个有效方法 ，是在下 翼 缘 和支座 相 连 的 同时对 上翼缘 也 提供 侧 向支 承 ，即依靠支座加劲肋在其平面内的抗弯刚度来 防止扭转 ， 见图 5 a 。图 5 b 所示 的梁 端 ，它 的支 承截面抗扭全靠腹板的弯曲刚度来提供 ，由于腹 板出平面弯曲刚度很弱， 梁失稳时， 梁端截面就将 出现如图 5 b 中所示 的变形。 图 5 有 抗扭加劲 肋的梁和缺 少抗扭设 施的梁 4 ． 2 铺装和支撑防止梁失稳的作用 规范 4 ． 2 ． 1规定 当“ 有铺装 各种钢筋混凝士 板和钢板 密铺在梁 的受压翼缘 上并与其牢固相 连、 能阻止梁受压冀缘的侧向位移时” ， 可以不计 算梁的整体稳定性。这里应当注意的是 ， 铺装起阻 止梁失稳 的作用要满足两个条件 一是在 自身平 面内有很大刚度， 二是和梁翼缘应牢固相连。各类 钢筋混凝士楼板在 自身平面内都有足够的刚度。 现 浇板 和梁 翼 缘之 间 的粘结 足 以阻止 梁侧 向位 移 ； 预制板则需要在梁翼缘上焊剪力件 ， 并把预制 板间的空隙用砂浆填实， 从而使板和梁牢固相连。 梁上没有铺板时，为了防止整体失稳降低承 载能力， 可以设置支撑来解决。由于梁的失稳变形 包括侧向弯内和扭转，防止整体失稳就需要对侧 移和扭转两种变形都加 以约束 。如果只在梁的的 剪心处设置抗侧移的支撑杆 见图 6 a ， 只要杆刚 度大到一定程度，便能阻止梁剪心处发生侧向移 动 ， 但此杆并不能有效地阻止截面扭转 ； 若将支撑 杆放在上翼缘即受压翼缘处 见图6 f b ， 则效果要好 得多 。如果将支撑杆设在受拉翼缘平面 见图 6 c ， 这时就不能完全阻止受压翼缘侧移， 其效果最差。 王 ． r L a b c 图 6 支撑 部位和作 用 4 ． 3 次梁对主梁稳定性影响 在建筑结构中经常有梁格体系，主梁所承受 的荷载由次梁传来。在没有铺板的情况下， 如果设 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 2 科技研究 城 市道桥与 防洪 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 计得好 ，次梁可以对 主梁失稳起相 当大的约束作 用 。一般次梁设置在主梁上翼缘上 ， 是一种施工简 便 的结构方案 ， 这时 ， 在 主 、 次梁牢 固连接 的条件 下 ， 主梁扭 转必然会带动次梁弯曲。因此 ， 次梁 的 弯曲刚度可 以对主梁扭转进行约束 。然而 ， 从另一 方 面看 ，当次梁在荷载作用下弯 曲时端部会 出现 转 角 ， 它 的支座压力又会对主梁产生扭矩 。因此 ， 在设计时应该对此尽量扬长避短 ， 合理考虑。 4 ． 4 规范对 受弯构件整体稳定性的规定 钢结构受弯构件整体失去稳定时 ，将发生侧 向弯曲和扭转变形 ，这种侧 向的弯扭变形会使受 弯构件迅速丧失其承载力 ， 产生整体的弯扭屈 曲 ， 为此需对受弯构件进行整体稳定计算。规范 4 ． 2 ． 1 条及 4 ． 2 ． 4条对 H型钢或等截面工字形简支梁 ， 简 支箱形截面梁不必进行整体稳定性计算的条件作 出了规定 。 规范 4 ． 2 ． 2规定 在最大刚度主平 面内受 弯的 构件， 其整体稳定性应按下式计算 1 规范 4 ． 2 ． 3 规定 在两个主平面受弯的 H型钢 截面或工字形截面构件． 其整体稳定性应按下式计 算 2 ‘ D 。 ⋯ 在整稳计算 中，最关键 的一点是如何确定其 丧失稳定 时的临界弯矩 ， 。理论分析和试验结果 都表明，受弯构件的弯扭屈曲临界弯矩的计算 与许多因素有关，如何将理论计算结果用于受弯 构件 的设计 ， 不同国家有不 同的设计计算方法 ， 我 国规范是将 ， 转化为整体稳定系数 ， 而后将其引 入设计公式 。 5 钢结构设计中构件局部稳定的规范规定 对于受压构件 一般 由一些板件组成 ，如果这 些板件 过薄 ， 则在均布压力或偏心压力作用下 ， 将 发生挠 曲屈 曲而失去稳定 。这种 现象称 为局部板 件丧失局部稳定 。虽然局部稳定 的丧失不如构件 丧失整体稳定那样危险，但由于截面的某个板件 挠 曲失稳退出工作后 ，将使截面的有效 承载部 分 减小， 有时还使截面变得不对称了， 因而将促使构 件整体发生破坏 。规范采用限制板件的宽厚 比和 设置加劲肋的方法来避免构件的局部屈 曲。 5 ． 1 受弯构件腹板局部稳定的规定 规 范 4 ． 3 ． 2给 出了组 合梁腹 板加劲 肋 的设 置 规定 见 图 7 翻画囱画 c L d J 1 一横 向加劲肋2 一纵 向加劲肋3 一短加 劲肋 图 7 加劲肋布 置 1 当 ≤8 0 、 ／ 2 3 5 时， 对有局部压应力 的梁应按构造配置横 向加劲肋 ；但对无局部压应 力 的梁 ， 可不配置加劲肋。 2 当 以 8 0 、 ／ 时 ， 应配 置横 向加劲 肋。其中， 当 1 7 o 、 ／ 受压翼缘扭转受 到约束 ， 如连有 刚性铺板 、 制动板 或焊有钢轨 时 或 以 1 5 o 、 ／ 受压翼缘扭转未受到约束时 ， 或按计算需要时 ，应在弯 曲应力较大区格的受压 区增加配置纵向加劲肋 。局部压应力很大的梁 ， 必 要时尚宜在受压区配置短加劲肋 。 任何情况下 ， 均不应超过 2 5 0 。此处 h 。 为 腹板的计算高度 对单轴对称梁， 当确定是否要配 置纵向加劲肋时 ， h 。 应取腹板受压 区高度 的 2倍 ， t 为腹板的厚度。 3 梁的支座处和上翼缘受有较大固定集 中荷 载处 ， 宜设置支承加劲肋 。 规范 4 ． 3 ． 1 还规定 了当 8 0 、 v ／ 2 3 5 时 尚 应计算腹板 的稳定性 ， 计算公式见规范 4 ． 3 ． 3条至 4 - 3 ． 5条。 加劲肋宜在腹板两侧成对配置 ， 也可单侧 配置 0 ． 5 ， 横 向加劲肋 的最小间距应为 2 。 ， 最大 间距应为 2 对无局部压应力的梁， 当 ≤1 0 0时 ， 可采用 2 ． 5 。 纵向加劲肋至腹板计算高度受压边 缘 的距离应在 h o ／ 2 ． 5～ 范 围内。短加劲肋的最 小 间距为 O ． 7 5 h 。 短加劲肋外伸宽度应取横 向加劲 肋外伸宽度的 0 ． 7～1 ． 0倍 。厚度不应小于短加劲 肋外伸宽度的 1 ／ 1 5 。 5 ． 2 受弯构件翼缘的局部稳定规定 规范 4 ． 3 ． 8规定 ，梁受压翼缘 自由外伸宽度 b 与其厚度 t 之比， 应符合下式要求 ≤l 3 、 ／ 3 t V l 箱形截 面梁受压翼缘板在两腹板之 间的无支 承宽度 b 。 与其厚度 t 之 比， 应符合下式要求 t 、 V ．／ ≯ 广 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 城 市道桥 与 防洪 科技研究3 0 3 当箱形截面梁受压翼缘板设有纵向加劲肋时 ， 则公式 中 b 。 取为腹板与纵 向加劲肋 之间的翼缘板 无支 承宽度。 5 ． 3 受压构件局部稳定规定 规范 5 ． 4 ． 1规定 ， 在受压 构件 中 ， 翼缘 板 自由 外伸宽度 b 与其厚度 t 之比， 应符合下列要求 5 ． 3 ． 1 轴心受压构件 b - t- 1 O U ．0 l h 、 ／ t V 广．， 5 ． 3 ． 2 压弯构件 t ＼ ／ 6 V ，． 在工字形及 H形截面的受压构 件 中，腹板计 算高度 。 与其厚度 t 之比， 应符合下列要求 1 轴心受压构件 5 o _50 、 ／ 7 V ， 、 式 中 构件两方 向长细 比的较大值； 当 1 0 0时 ， 取 1 00。 2 压弯构件 当 0 ≤ ≤1 ． 6时 ≤ 1 6 a o 0 ． 5 h 2 5 t ＼ ／ 8 V ．， 当 1 ． 6 ≤ ≤2 ． 0时 h o 4 8 0 ．5 h - 2 6 ．2 、 ／ 9 虹 盯 式中 c r n 一腹板计算高度边缘的最大压应力 ， 计 算时不考虑构件的稳定系数和截面 塑性 发展系数 腹板计算高度另一边缘相应 的应力 ， 压应力取正值， 拉应力取负值； 构件在弯矩作用平面 内的长细 比； 当 1 0 0时 ， 取 1 0 0 。 在箱形截面 的受压构件 中， 受压翼缘 的宽厚 比 规定 同受弯构件规定相 同。箱形截面受压构件 的 腹板计算高度 h 。 与其厚度 t 之比符合下列要求 a ． 轴心受压构件 一h o ≤4 0、 2 3 5 一 ￡ V b ． 压弯构件的 h o， 当 0 ≤ ≤1 ．6时不应超过 工 字 形及 H形 截 面 的受 压 构件 相 应计 算 值 ； 当 1 ． 6 ≤ ≤2 ． 0时不 应 超 过 工 字 形 及 H形 截 面 的 受 压 构 件 相 应 计 算 值 的 0 ． 8倍 当 此 值 小 于 4 o ＼ ／ 等时 ，应 取 4 0 、 ／ 等 c H形 、工字形和箱形截面受压构件的腹板 ， 其 高厚比不符合以上要求时 ， 可用纵向加劲肋加强 ， 或 在 计 算 构 件 的强 度 和 稳 定 性 时将 腹 板 的截 而仅 考虑计算 高度边缘 范 围内两侧 宽度各 为 2 0 、 ／ 的 部 分 。 参考文献 ⋯ 1 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ， 钢结 构设 计规范【 S 】 ． 北京 中国计划出版社， 2 0 0 3 【 2 ] 夏志斌． 钢结构原理与设计[ M ] ． 北京 中国建筑工业出版社， 2 0 0 4 【 3 】 陈绍蕃_ 钢结构稳定设计讲座f J 1 ．钢结构， 1 9 9 3 ． [ 4 】吕烈武， 等． 钢结构构件稳定理论【 M ] ． 北京 中国建筑工业出版 社 ． 1 9 8 3 ． 【 5 】 钟 善桐． 钢结构[ M] ． 北京 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 8 7 ． 武汉市 4号线 6月完成全线铺轨预计年底试运营 武汉市地铁 4号线一期工程 6月完成全线铺轨 ， 7月电力接通 ， 预计 9月底列车开始空载试运行 。 今 年 ， 武汉市计划投资 1 6 0亿 元 ， 建成 4号线一期 ， 续建 4号线二期 、 3号线一期 、 1 号线汉 口北延长 线 ， 新 开工 6号线一期 、 7号线 、 机场线 。 地铁 4号线一期全长 约 1 6 k m， 连接武汉 站和武 昌站两大火车站 ， 途经紫 阳东路 、 傅家坡一路 、 中南 路 、 洪山广场、 中北路、 岳家嘴、 中北路延长线、 武青四干道。 目前 ， 4号线一期全线 1 5座车站主体结构已基本完工， 正进行全面装修， 全线正线铺轨已完成 3 0 k m 总长 3 3 k m ， 首列车已于 4月 8日到汉。预计 9月底空载试运行， 年底试运营。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m