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穩(wěn)定理論和鋼結構設計相結合

2009-11-10 14:11    【  【打印】【我要糾錯】

  上世紀70年代初我有幸參與我國鋼結構設計規(guī)范的編制工作,從而開始和穩(wěn)定理論與穩(wěn)定設計打交道。此后,規(guī)范兩次修訂和高層鋼結構及門式剛架兩本規(guī)程的編制,我也都躬逢其盛,參與有關穩(wěn)定課題的研究和條文的擬訂。與此同時,70年代來高校開始招收碩士研究生,我和教研室的同志合開鋼結構穩(wěn)定理論課程。80年代招收博士研究生,我又講授高等結構穩(wěn)定理論課程。開新課是一個邊學邊授的過程,為此閱讀大量有關穩(wěn)定分析的論文。理論方面的充電,為解決實際問題提供了條件;仡櫲陮W習、授課、研究和從事規(guī)范、規(guī)程工作的歷程,對穩(wěn)定理論如何溶入鋼結構設計,使之密切結合,有一些膚淺體會,借此機會就教于廣大同行。

  1.樹立完整正確的結構穩(wěn)定概念

  防止失穩(wěn)是鋼結構設計的重要任務。設計規(guī)范中有關構件計算的條款大多和穩(wěn)定問題有關。但是僅僅遵守這些條款并不能夠保證結構不致失穩(wěn),因為規(guī)范只涉及最基本的問題,覆蓋面不夠廣。況且對條款的依據(jù)缺乏了解者還有可能誤用規(guī)范,造成差錯。樹立正確而完整的穩(wěn)定分析和穩(wěn)定設計的概念,對設計工作者至關重要。

  首先要明確區(qū)分強度和穩(wěn)定的不同性質。TJ17-74規(guī)范壓桿穩(wěn)定計算的公式是:

 。1)這一表達式反映我們當時對壓桿失穩(wěn)的性質在概念上含混不清,因為N/A并不是應力,不應該用來表示。GBJ17-88規(guī)范糾正了這一錯誤,刪去了。但是,如果不仔細體會,只看到公式中的N和A,還可能誤認為穩(wěn)定計算和強度計算一樣,是針對桿件某一個截面的驗算。

  實際上強度計算是一個截面承載力的驗算,即應力問題,而穩(wěn)定計算則是整個桿件的承載力驗算。只要從系數(shù)由桿件長細比決定,就可以理解。如果桿件是桁架或框架的組成部分,則長細比涉及所計算桿和相鄰桿的關系,包括后者的受力情況,也就是涉及到了整個結構。為了使初學者一開始就認清穩(wěn)定問題的實質,我們在新版鋼結構教材中不再按構件分章,而是按極限狀態(tài)分章。截面承載能力(強度)、單個構件承載能力(穩(wěn)定性)和整體結構中的壓桿和壓彎構件,分別列為三章,后一章解決構件的計算長度和整體結構的淵源關系。

  第二個概念是:失穩(wěn)是壓力使構件(或結構)剛度下降的結果。當剛度下降為零,構件(或結構)就達到臨界狀態(tài)。試想一根有初彎曲的桿,桿軸的曲線由 表達。在桿兩端施加軸壓力N后,平衡方程為解之,可得桿中央總撓度為

  式中 NE—歐拉臨界力,NE=2EI/l2。

  當N力達到NE時,撓度將無限增大,表示剛度退化為零,桿件無法保持穩(wěn)定的平衡。經典力學中失穩(wěn)的定義是桿件受到外界干擾而偏離平衡位置,在干擾消失后不能恢復原狀,甚至持續(xù)偏離。干擾究竟是什么,頗有點耐人尋味。在現(xiàn)實結構中,總是存在初彎曲和初偏心等幾何缺陷。是否可以理解幾何缺陷就是對完善直桿的干擾,不過這些干擾不會消失罷了。壓力使桿件剛度下降(彎曲剛度、扭轉剛度)是一個重要概念,忽視這一剛度就會造成差錯。

  Rflüger指出穩(wěn)定分析和內力分析有以下不同特點[1]:

 。1) 穩(wěn)定問題必須采用二階分析來代替一階分析,即不能忽視變形對外力效應的影響;

 。2) 疊加原理不適用于穩(wěn)定分析,因為分析中存在著幾何非線性;

 。3)靜定和超靜定結構的區(qū)分在穩(wěn)定分析中沒有意義,因為靜定結構的穩(wěn)定分析也涉及到變形問題。這三條區(qū)別對于認識穩(wěn)定問題的本質很有幫助,為此把它寫入研究生教材[2]中。

  在從事教學和規(guī)范、規(guī)程工作中感到,僅僅認識穩(wěn)定分析的特點,對設計工作者還不夠,還需要掌握穩(wěn)定設計的基本特點,或者說三個基本概念[3],即:

  (1)結構計算簡圖和實用計算方法(包括規(guī)范給出的方法)所依據(jù)的簡圖應該相一致;

 。2)結構穩(wěn)定計算和結構布置方案相符合;

 。3) 結構穩(wěn)定計算和結構構造設計相符合。

  這三點說起來很平常,好像事情本應如此,但是結構設計中違反這三點的事還是很容易發(fā)生的 ,因此需要加以強調。

  前面已經提到,現(xiàn)實的鋼結構構件和穩(wěn)定理論中理想化的完善桿是有區(qū)別的,那就是存在不同性質和不同程度的缺陷。桿件的初彎曲是最常見的幾何缺陷,這在確定壓桿的?系數(shù)時已經有所考慮。對框架結構來說,柱的初始傾斜是頗有影響的幾何缺陷。GB50017以假想水平力的方式對此加以考慮。殘余應力是影響構件穩(wěn)定的力學缺陷,GBJ17-88規(guī)范把壓桿截面劃分為三類,是基于殘余應力的大小和分布情況確定的,GB50017規(guī)范新增d類截面,也是如此。

延伸閱讀:鋼結構 設計 理論
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