所属栏目：冶金论文发表 发布时间：2011-02-25浏览量:171
[摘要]针对钢构厂房稳定性设计的一些基本概念进行了简单评述,从设计角度解释了各类失稳破坏的特点,指出了典型结构的失稳类型;指出设计过程中的一些基本概念，钢结构的设计特点等。在此基础上,依据现行钢结构设计规范和国内外钢结构稳定性设计研究成果,结合工程实例,具体阐述了钢构厂房的稳定性设计方法。
[关键词]钢结构厂房，稳定性分析设计，失稳类型，工程案例
1引言
钢结构与钢筋混凝土结构相比具有：材质均匀、可靠性高、加工制造简单、工业化程度高、运输方便等特点,还具有强度高、自重较轻;塑性和韧性好等优点,已被广泛地运用到具有大跨度、大空间、分隔使用灵活、施工速度要求快、有较好抗震性能的仓库、办公室、工业厂房等设施。
由于工艺上的需要，有些工业厂房的车间高度、跨度比较大，柱距也比较宽，又有大吨位吊车，各层还有许多设备。考虑到钢构以上的优点，可采用大跨度钢构架型式，此结构建筑平面布置可以满足工业厂房的工艺要求，易于设置较大的空间。若采用钢砼结构形式，构件断面有可能过大，致使厂房使用空间变小、层高增高。且由于钢砼构件断面大、自重大，使得传至基础的荷载偏大，造成基础设计尺寸偏大，一般情况下大跨度工业厂房采用钢构架结构形式与采用钢砼框架结构形式相比更加经济可行。
钢结构区别于一般钢砼结构的一个最显著特点是其整体及局部稳定性，稳定性是钢结构的一个突出问题。建筑结构用的钢材具有很大的塑性变形能力，当结构因抗拉强度不足而破坏时，破坏前呈现较大变形。但当结构因稳定性不足而破坏时，可能在失稳前只有很小的变形，即呈脆性破坏的特征，因此一旦结构失稳造成破坏，由于破坏前变形很小，一般难以发现，脆性破坏具有突发性，破坏前没有预警，不能由变形发展的征兆及时得以防止，比塑性变形破坏更危险。因此如果对失稳问题处理不当，将造成严重的后果。
本文从大跨度钢结构厂房稳定分析与设计的角度，对稳定的基本概念进行了阐述,从直观的荷载-位移曲线出发,评述了失稳的基本类型及其特点(包括初始缺陷的影响),并指出了典型结构的失稳类型;在此基础上,从设计的角度解释了各类失稳破坏的含义;定性地讨论了如何预测结构的可能失稳类型、近似估计结构的临界荷载值;强调了概念设计和选择合理结构体系的重要性。结合实际工程案例，阐述了结构稳定分析设计过程及大跨度钢构工业厂房结构稳定性分析中值得关注的几个基本问题。
2、稳定与强度两个基本概念的区别
钢结构的强度设计是指结构或单个构件在稳定平衡状态下，荷载作用于结构所产生的最大应力(内力)是否大于钢材的强度设计值，是属于内力计算问题。强度设计值取决于钢材的特性，强度设计值取值见规范「1」表3.4.1-1~3.4.1-5。
结构失稳或屈曲是由于结构中的压力引起其几何形状突然改变而丧失承载能力的现象。是指外荷载与结构内部抵抗力间不稳定平衡状态，通过计算预测避免结构进入该状态。结构屈曲时所对应的荷载称为屈曲荷载或临界荷载。由于结构失稳可能产生灾难性的后果,所以在结构设计中,必须在承载能力极限状态验算中把稳定验算作为一个区别于强度验算的特例加以考虑。
3、结构失稳的类型和典型结构的失稳
线性结构分析中,常假设结构的变形非常微小,结构的荷载--位移关系为线性的。由于失稳将引起结构几何形状发生明显改变,所以在结构稳定分析时,必须考虑由变形产生的次应力对结构的影响,结构的荷载--位移关系为非线性的，稳定分析和经典结构分析最大的不同点就在于此。结构的非线性荷载--位移关系曲线上的每一点都代表相应的平衡状态,均满足平衡方程、协调方程和本构方程,所以该曲线又称为平衡路径。在荷载--位移曲线上,若荷载随位移的增加而增加,则平衡状态是稳#p#副标题#e#定的;若荷载随位移的增加而减少，则平衡状态是不稳定的。
一般情况下，钢结构的稳定问题分为两类。一类是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;第二类是无平衡分岔的稳定问题(也叫极值点失稳)，如钢构偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的承载能力。但实际工程中设计为轴心受压的构件，总难免有点初弯矩，荷载的作用点也难免引起偏心。因此要真正对结构失稳的类型分类，还应了解缺陷对构件的影响;此外，并不是所有的构件在屈曲后立即丧失承载能力，因此对结构失稳的类型分类，还应研究构件屈曲后的性能。因此弹性稳定除了以上两种分类外，还有第三种分类跃越屈曲。跃越屈曲的特点是结构由一个平衡位形突然跳到另一个平衡位形，期间出现很大的变形。跃越屈曲虽然没有平衡分岔，却和无平衡分岔的稳定屈曲有相似之处：都是从丧失稳定平衡后经历一段不稳定平衡，然后又重新获得平衡。
4、稳定设计的基本原则
⑴结果整体布局必须考虑整个体系及其组成部分的整体稳定问题。目前结构大多是按照平面体系来设计的，如桁架、框架等。为保证这些平面结构不至于发生平面外的失稳，需要从整体布置来解决，如设置必要的支撑构件。
⑵杆件稳定计算常用方法，往往依据一定的简化假设条件或者典型情况得出的，只有所设计的结构符合这些假设条件时才能正确应用。例如框架柱稳定计算所用的计算长度系数是针对横梁不承受轴力的情况下得出的。因此设计时应确知具体计算对象与所用计算方法的假设前提应该相互一致。
⑶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。例如梁整体稳定性就和梁端连接构造关系密切，必须注意配合。
5、工程实例
5.1工程概况
XX汽电汽机厂房工程，位于台湾省台北花莲县。主体结构是发电机房，42m宽×160m长×25.7m高的多层大跨度钢构厂房，全部三层，局部二层(TA~TE轴)。厂房建筑面积为16900m2，一层结构布置图如图所示。
5.2结构方案布置
由于工艺上的需要，车间的高度、跨度比较大，柱距也比较宽，又有大吨位吊车，各层还有许多设备。考虑到上述钢结构具有的优点，本工程采用钢框架结构，此结构建筑平面布置可以满足工业厂房的工艺要求，易于设置较大的空间。
发电机房内由于有较大的设备需进出以及工艺上的要求，建筑立面上除了西面以外的其他三面均有较大的开口，在立面上不宜设置立面斜撑以传递水平力，所以钢构厂房的纵、横向梁柱接头均按固接方式处理。
5.3柱网布置、轴线布置
厂房柱网的布置原则是首先满足工艺上的要求，然后在此基础上尽量标准化。本结构由二部分组成。厂房部分全部三层，局部二层，总高度为25.7m。柱网尺寸较大，厂房开间宽度为8.0m~10.0m。轴线布置同柱网布置。
5.4楼盖和屋盖型式
楼盖采用的是钢梁上铺花纹钢板，然后再在其上浇钢砼楼板，花纹钢板用锚固件固定于梁的翼缘上的型式。屋盖是中间设置通风器：屋面梁上铺花纹钢板，两边坡，坡度10：1。
5.5结构稳定分析设计
5.5.1梁截面的设计
本工程项目中的梁柱采用了热轧型钢与组合截面两种。两种截面均应满足强度(抗弯、抗剪、局部压应力、折算应力)、刚度、整体稳定和局部稳定的要求。
楼板做法是钢梁上铺花纹钢板，再其上浇钢筋砼楼板，所以楼板在其自身平面内的刚度很大，钢梁有足够的侧向支承，不必单独验算梁的整体稳定性;由于型钢梁截面的翼缘和腹板等板件常有足够的厚度，一般不必验算局部稳定。型钢梁的设计通常按抗弯强度选择型钢截面，然后再验算其他项是否#p#副标题#e#满足要求。对于组合梁截面，截面共有四个基本尺寸：截面高度h(或腹板高度h0)、tw(腹板厚度)、翼缘的宽度b和厚度t。计算顺序为：h0→tw→b→t。
组合梁截面高度h(或腹板高度h0)
a)建筑容许最大梁高hmax;b)刚度要求的最小梁高hmin，;c)经济梁高。按抗弯或稳定的要求，梁截面要有一定的抵抗矩Wx。为了达到这个Wx，梁可以有不同的梁高、腹板厚度、翼缘宽度及厚度，而经济梁高应使腹板(包括加劲肋)和翼缘的总用钢量最小。
组合梁腹板厚度tw：
a) 考虑腹板局部稳定和构造需要的经验厚度，即tw≈7+0.003ho或
(尺寸均以mm计)。
b) 抗剪要求的最小厚度，twmin≈×tw取2mm的倍数。
组合梁翼缘宽度b和厚度t
h0与tw确定后，可由下式求出所需翼缘面积
A1=bt=≈
应使b适当大些，以利于整体稳定和梁上铺放面板。此外翼缘宽度还以符合或参考下列条件：
a)b/t≤26(按弹性设计时为30∕);这是翼缘板局部稳定的要求。
b)b=(1/6~1/2.5)h。b太大将使翼缘内应力分布很不均匀;b太小则对梁的整体稳定不利。
c)b满足制造和构造考虑的翼缘最小宽度，应使b≥180mm(一般梁)、300mm(吊车梁)。
d)b应超出腹板加劲肋的外侧，一般要求b≥90+0.07ho(mm)。
组合梁截面验算：
横向梁的设计以梁端及跨中最不利弯矩和剪力进行计算。满足强度、刚度、整体稳定及局部稳定四方面的要求。
整体稳定验算：由于楼板做法是钢梁上铺钢板、浇钢砼，钢板与钢砼楼板牢固连接于钢梁的受压翼缘上，钢梁有足够的侧向支承，钢梁的整体稳定足够，不必验算整体稳定。
局部稳定验算：
满足b’/t≤13的条件。b’/t≤13或
15是梁接部分塑性发展或弹性设计时为保证受压翼缘稳定所必须满足的限值条件。
5.5.2横向构架柱的设计
必须同时满足强度、刚度、整体稳定和局部稳定四个方面的要求。
强度验算：
计算公式N/A+M/γw，其中N——柱轴力设计值，A——柱横截面面积。其他均同梁的计算公式。
刚度验算：
引入构件的长细比、计算长度和计算长度系数这几个概念。ι0=uι称为构件的计算长度或有效长度，其中ι为构件的几何长度，u称为构件的计算长度系数。计算长度ι0的几何意义是构件弯曲屈曲时变形曲线反弯点间的距离。轴心受拉或受压构件的刚度通常用长细比来衡量，长细比λ=ι0/i，其中i是构件截面的回转半径。λ愈小，表示构件刚度愈大，反之则刚度愈小。长细比过大会使构件在使用过程中容易由于自重发生挠曲，在动力荷载作用下容易产生振动，在运输及安装过程中产生弯曲。对于受压构件，长细比就更为重要，λ过大，会使其稳定承载力降低太多，在较小荷载下就会丧失整体稳定。
弯矩作用平面内的稳定验算：
弯矩作用平面内的稳定由下式来验算：
其中：N——柱的轴力设计值;
——整体稳定系数，按截面类型(a、b、c类)查表;
A——柱子横截面积;
βmx——等效弯矩系数。
γx——塑性发展系数;
Wx——截面抵抗矩
弯矩作用平面外的稳定：
实腹式压弯构件在丧失弯矩作用平面内的稳定之前，可能产生侧向弯#p#副标题#e#曲变形，并伴随着绕扭转中心(剪力中心)轴扭转，也就是所谓丧失弯矩作用平面外的整体稳定或在弯矩作用平面外屈曲。设计压弯构件时应保证不丧失在弯矩作用外的整体稳定。按下式来验算：
局部稳定验算：
压弯构件的局部稳定性通常采用限制板件宽(高)厚比的方法来保证，包括翼缘宽厚比和腹板高厚比。
a) 翼缘宽厚比验算(工字形截面)：
公式：b’/t≤15或13(考虑截面部分塑性发展时)
b) 腹板高厚比验算
公式：h0/tw<[h0/tw]
[h0/tw]=16α0+0.5λx+25(当0≤α0≤1.6)
α0=(σmax-σmin)/σmax
α0——压应力的不均匀分布的梯度。
5.5.3大跨度钢构工业厂房结构稳定性分析中值得关注的几个基本问题
5.5.3.1定性预测结构的可能失稳类型
许多大跨结构很难从传统的结构形式予以界定,更多是单一结构形式的组合体,很难直观地预测其可能的失稳类型。从定性的角度来看,一个结构是分叉型失稳还是极值型失稳,可以从结构屈曲前的变形特点来分析。分叉型失稳的结构在屈曲发生前,构件变形主要表现为轴向压缩变形,从整个结构宏观反应来看,这种变形非常微小,屈曲前荷载--位移曲线接近于直线;屈曲后的结构将突然变柔,变形发展迅速。极值型失稳的结构,无论杆件还是结构体系,其刚度都是随荷载的施加逐渐变小,屈曲发生前结构会产生明显、不可忽略的变形,屈曲前荷载--位移是呈明显弯曲的非线性曲线。
5.5.3.2临界荷载的近似估计
在初设阶段,近似估算结构的承载能力范围值是非常重要的。工程师据此可以快速地作出方案比较,缩小方案选择的范围。但是对于稳定问题突出的大跨空间结构,因为结构反应的非线性特性,要作出其临界荷载的估算是非常困难的。然而通过简化模型的分析,还是可能对结构的临界荷载作出近似估算。
5.5.3.3从简单模型开始进行非线性分析
大跨空间结构由于杆件数量众多,即便是简化模型,其自由度也成千上万,非线性反应特征很明显,在进行结构构件设计之前,必须用有限元方法对结构进行精确的非线性数值分析。对于大跨度结构的非线性分析一般可以从简单模型开始,然后再以此为依据,采用合理的分析模型和求解方法,逐步细化分析模型。
6、结语
进行大跨度钢构厂房结构稳定分析设计,要求工程师对结构稳定的基本概念、类型、典型结构的失稳及失稳所造成的严重后果等各方面都要有深刻的认识，才能采取合理模型、分析方法和有效求解技术。
参考文献：
[1]《钢结构设计规范》，GB50017—2003;
[2]《钢结构设计规范》,AISC360-05,美国钢结构协会委员会(AISC),2005;
[3]《钢结构设计原理》陈绍蕃，科学出版社;
[4]陈骥.钢结构稳定理论与设计M.北京:科学出版社,2001;
[5]ChenWF.StructuralStability:fromTheorytoPracticeJ.EngineeringStructures,2002,(22):1162122;
[6]ChrisJ.Cantes,DesignStrategiesforControllingStructuralInsta-bilitiesJ.InternationalJouranlofSpaceStructure,2000,15(3):167-188。