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工程结构稳定性设计

/stability design of structure/
条目作者赵基达

赵基达

最后更新 2023-06-11
浏览 167
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在结构设计阶段,按结构的整体稳定性与杆件的局部稳定性要求所进行的结构分析、计算与设计。

英文名称
stability design of structure
所属学科
土木工程

以确保结构在使用过程中不发生结构失稳现象。主要涉及结构整体失稳与杆件或构件的局部失稳问题。结构的失稳是结构与杆件在尚未达到材料强度设计承载力时发生结构失稳而丧失结构承载能力,从构件层面主要有压杆屈曲(轴压构件、压弯构件)与梁的整体扭转失稳;从结构层面主要有拱的整体稳定(平面内或平面外稳定)、薄壳的整体稳定、网壳结构的整体稳定、桁架结构上弦构件的出平面外稳定等。

结构的整体失稳(屈曲)主要有极值点失稳与分支失稳两类。①极值点失稳,屈曲位移随荷载的增加而增大,当荷载达最大值时,对应屈曲模态的结构刚度为零,并随后荷载位移曲线马上下降的现象。对应的荷载最大值为结构的屈曲荷载。②分枝失稳,屈曲位移随荷载的增加而增大,在该平衡路径上荷载第一次达最大值时又出现第二条平衡路径,两条平衡路径的相交点即为分枝点,随后荷载又随着第二条平衡路径继续上升直至达到最大屈曲荷载。

对于弹性压杆的稳定分析可用欧拉公式计算,对于拱与球壳的整体稳定分析也有经典公式可以求解。但工程中发生稳定破坏的荷载值比这些理论公式计算值要低得多,其主要原因为:①存在结构或杆件的几何缺陷。如网壳结构由于制作安装原因,产生实际节点坐标与理论值有偏差的结构整体几何缺陷;对于杆件则有初始弯曲的几何缺陷。②存在材料缺陷。主要包括材料强度的离散,还有钢结构构件在加工中残余应力与焊接过程中的焊接应力等。③存在与理想计算模型的偏差。如实际节点既非理想的铰接或刚接。上述这些因素都将大幅度降低结构或杆件的稳定性。在工程结构稳定性设计中,通常将结构的理想弹性稳定分析得到的荷载值除一个综合安全系数后,再作为结构的稳定荷载标准值来采用。

对于如网壳的复杂结构,可以采用有限元进行结构稳定分析,其包括线性稳定分析与非线性稳定分析。非线性稳定分析时,可以考虑几何非线性与材料非线性。有限元分析时还可以考虑结构与构件的初始几何缺陷,当在有限元分析中考虑非线性与初始几何缺陷时,稳定验算的综合安全系数取值可适当减小。

  • 钟善桐.钢结构稳定设计.北京:中国建筑工业出版社,1991.

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