Industrial Construction Vol 138,Supplement ,2008
工业建筑 2008年第38卷增刊钢结构稳定的概念设计
田兴运
(西北农林科技大学水利与建筑工程学院 杨凌 712100)
摘 要:将正确理解和应用钢结构稳定的基本概念、研究对象、特点、稳定类型以及分析方法等称为概念设计,并进行论述,以利于钢结构的稳定设计。
关键词:钢结构 稳定 概念设计
CONCEPTION DESIGN OF STEE L STRUCTURE BUCKING
Tian Xingyun
(College of Hydraulic and Architectural Northwest Science &Technology University
of Agriculture &Forestry Yangling 712100)
Abstract :It is called conception design to understand and use correctly basic conception ,study object ,buckling types and analyzing method ,and discussed.Which is benefit to steel structure buckling design.K eyw ords :steel structure buckling conception design
作 者:田兴运 男 1964年11月出生 副教授收稿日期:2008-04-18
稳定性是钢结构的一个突出问题,在各类钢结构的设计中,都会遇到稳定问题,稳定设计是钢结构设计的重要组成部分[1-5]。钢结构的稳定设计按照设计规范[6-9]的要求,可进行合理的选材、正确的内力分析、完备的稳定验算和可靠的构造保证等。其实正确理解和应用钢结构稳定的基本概念、研究对象、稳定类型以及分析方法等对钢结构的稳定设计也是非常重要的。将这些内容称为概念设计,并进行论述,以利于钢结构的稳定设计。1 稳定的基本概念1.1 对稳定概念的理解
由于稳定问题是要找出作用与结构内部抵抗力之间的不稳定平衡状态,即变形开始急剧增长的状态,从而设法避免进入该状态,所以它是一个变形问题。
要理解稳定是一个刚度问题,就必须清楚强度、刚度和稳定的概念。强度表示结构中的材料或截面能够承受的最大应力或最大内力;刚度表示抵抗变形的能力;失稳表示结构不再能够以原来的平衡形式继续承受附加的荷载。在临界状态,如果构件上的荷载哪怕有微小的增加,平衡的性质就会发生转变,即失稳,甚至平衡的形状都会发生变化,即屈曲。
强度代表了截面的极限状态,即截面的刚度达
到了零,表现为内力不增加,变形可以增加很大。一
个超静定结构,如果某个截面形成塑性铰,结构还有继续承受附加荷载的能力,直至结构中形成足够多的塑性铰,结构变成了机构,结构才达到了强度极限状态,此时结构或构件的刚度也达到了为零的状态。失稳也代表了结构或构件的极限状态,即结构不再继续承受荷载、抵抗进一步变形的能力,刚度达到了零。所以稳定是一个刚度问题。
实际上,结构是分层次的,刚度也是分层次的,每一层次结构都会发生失稳现象。在材料层次上,应力-应变曲线上切线模量为零的点表示金属内部晶体结构不再能够保持原状,通过滑移达到新的状态,这代表微观状态的失稳,所以材料层次的失稳是强度问题。而结构或构件层次上的失稳表示结构或构件不再能够承受附加的荷载,代表了结构或构件的刚度为零[3-4]。1.2 临界状态
失稳意味着稳定平衡向不稳定平衡的转变而达到一个新的稳定的平衡,发生平衡形式转变的那个瞬时即为临界状态。其真正的含义是几何突变,即在任意微小的外力干扰下结构的几何形状发生极大的改变。在撤除了这个任意微小的外力后,结构并
9
16
不能恢复到原来的几何形状。
1.3 平衡的性质
平衡的性质就是平衡状态能否长期保持。平衡状态具有稳定的和不稳定的两种不同的性质。当平衡状态具有不稳定的性质时,轻微的扰动就会使结构产生很大的变形而最后丧失承载力,这种现象就是失去稳定性,简称失稳。结构稳定理论中平衡的概念与物理学中的稳定平衡、不稳定平衡和随遇平衡三种状态具有相同的内涵。材料力学和结构力学主要研究结构处于平衡状态时的应力、内力和相应的变形。
1.4 失稳的突然性
失稳破坏具有突然性,具有典型的脆性破坏特征,后果是非常严重的。
2 稳定问题的研究对象
在经典的线弹性结构分析中,常假设结构的变形非常微小,甚至可以忽略,所以平衡方程按变形前的几何位置建立,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的改变,所以在结构分析时,必须考虑变形对结构内力的影响,平衡方程必须按变形后的位置建立,这时结构的荷载-位移关系为非线性的,因此结构屈曲前和屈曲后分析都必须采用非线性分析的方法。这是稳定分析和经典结构分析最大的区别。结构的稳定性可以从非线性的荷载-位移关系曲线中得到完整的概念,曲线上每一个点都代表相应的平衡状态,每一点都满足平衡方程、协调方程和本构方程。
虽然明确了稳定问题研究的对象是结构变形后的位置,但是,还应该注意研究对象即计算简图要与实际构造相符合,要与实用计算方法所依据的简图相一致。只有这样,才能使稳定分析理论与实际一致,保证分析正确无误。
3 稳定问题的特点
稳定问题具有十分明显的分析、计算特点,归纳起来主要有:
3.1 稳定问题采用二阶分析
针对未变形的结构来分析它的平衡,不考虑变形对作用效应的影响称为一阶分析;针对已变形的结构来分析它的平衡,则是二阶分析。由于稳定问题是针对变形后的结构进行分析,所以采用二阶分析。
如图1所示的悬壁柱在轴向压力P作用下,按一阶分析时,柱底端弯矩为M q=0,而进行二阶分析,柱底端弯矩为M q=PΔ
。
a-一阶分析;b-二阶分析
图1 一阶分析与二阶分析
3.2 稳定问题不能用叠加原理
普遍应用于应力问题的叠加原理不能应用于稳定计算。应用叠加原理有两个条件:一是材料符合虎克定律,即应力与应变成正比;二是结构处于小变形状态,可以用一阶分析来计算。也就是说,运用叠加原理既不存在物理的非线性,也不存在几何的非线性。
弹性稳定问题不满足第二个条件,所以稳定不能用叠加原理;非弹性稳定计算则两个条件均不满足。因此,叠加原理不适用于稳定问题。
但是,稳定计算公式的构形往往使稳定问题的这一特点被忽略,或不容易被理解、被接受。例如,设计规范[6]给出的进行实腹式压弯构件弯矩作用平面内稳定性计算公式(5. 2.2-1):N
β m x M x γ x (1-018γR N/N E x )W1x ≤f。表面上看它的确是压力引起的应力和弯矩引起的应力的叠加,但实际上,在弯矩引起的应力这一项,已经考虑了由于结构变形压力引起的附加弯矩,并不是简单的叠加。 3.3 稳定问题不必区分静定和超静定结构 对应力问题,静定和超静定结构内力分析方法不同,静定结构的内力分析只用静力平衡条件即可;超静定结构内力分析则还需增加变形协调条件。在稳定计算中,无论何种结构都要针对变形后的位形分析。既然总要涉及变形,区分静定与超静定就失去意义。所以稳定问题不必区分静定和超静定结构。 3.4 稳定问题的多样性 钢结构的失稳,在形式上具有多样化的特点。例如,轴心受压构件常见的失稳形式是弯曲失稳,但不是唯一的失稳形式,还有扭转失稳和弯扭失稳。压弯构件存在弯矩作用平面内的弯曲失稳和弯矩作用平面外的弯扭失稳;刚架表现出无侧移的对称失稳和有侧移的反对称失稳;拱结构也表现出对称形式的失稳和反对称形式的失稳;薄板有受压失稳和 026 剪切失稳;失稳既有局部失稳又有整体失稳等。这些都是稳定问题多样性的表现。3.5 稳定问题的整体性对于结构来说,它是由各个构件组成的一个整体。当一个构件发生失稳变形后,必然牵动和它刚性连接的其他构件。因此,构件的稳定性不能就某一个构件孤立地去分析,而应当考虑其他构件对它的约束作用。这种约束作用是要从结构的整体分析中去确定。这就是结构稳定的整体性。 结构稳定的整体性在刚架稳定分析中表现的十分明显,在分析刚架的稳定时既要考虑同层柱之间的相互影响,又要考虑层与层间柱的相互影响,还要考虑梁柱之间的相互约束作用,表现出整体性分析的特点。 稳定问题的整体性不仅表现在构件之间的相互约束,也表现在围护结构对承重结构的约束作用,只是这种约束作用目前在设计中被忽略了。 稳定问题的整体性要求稳定分析应该从整体结构着眼。然而,当前在设计框架时,并不是去计算框架整体的稳定性,而是用计算柱子的稳定性来代替,这只是一种简化方法。这种简化是有一定的条件 的,如果条件不同,就不能盲目套用,需要考察结构的整体性。 4 失稳类型和典型结构的失稳 结构的失稳现象就其性质而言,可以分为三类稳定问题:分枝点失稳、极值点失稳和跃越失稳。4.1 分枝点稳定 分枝点失稳是指原有的平衡形式可能成为不稳定,而出现与原平衡形式有本质区别的新的平衡形式,即结构的变形产生了本质上的突然性变化,所以也称为第一类稳定或质变稳定。 如图2所示,当压力N 的,如图2所示的12或13(路径Ⅱ ) 。a -稳定对称的分枝失稳;b -不稳定对称的分枝失稳;c -不对称的分枝失稳 图2 分枝点失稳的荷载-变形曲线 两个平衡路径Ⅰ和路径Ⅱ的交点1称为分枝 点。在1点,路径Ⅰ与新平衡路径Ⅱ同时并存,出现平衡形式的二重性,原始平衡路径Ⅰ由稳定平衡转为不稳定平衡,出现稳定性的转变。具有这种特征的失稳形式称为分枝点失稳。分枝点对应的荷载称为临界荷载,对应的平衡状态称为临界状态。 分枝点失稳进一步还可以分为稳定对称的分枝点失稳、不稳定对称的分枝点失稳和不对称的分枝点失稳3种形式。 1)稳定对称的分枝点失稳如图2a 所示,屈曲后,荷载—位移曲线是12或12′,这种平衡状态是稳定的,称为稳定对称的分枝点失稳。从设计角度考虑,这类结构具有屈曲后强度,屈曲破坏是有预兆的延性破坏。初始缺陷使平 衡路径变为虚线形式。压杆屈曲和中面受压的薄板屈曲就属于此类失稳。 2)不稳定对称的分枝点失稳 如果结构或构件发生分枝点失稳后,只能在远比临界荷载低的条件下维持平衡状态,但平衡路径是对称的,则称此类稳定为不稳定对称的分枝点失稳,如图2b 所示。 这类结构一旦屈曲,刚度迅速降低而产生很大的变形,没有屈曲后强度,不具有承担大于屈曲荷载的能力。承受均匀压力的圆柱壳的失稳、承受均匀压力的全球壳的失稳、大矢跨比的高拱的失稳、拉线塔的整体失稳、薄壁型钢方管压杆的失稳等均属此类失稳。 3)不对称的分枝点失稳 1 26 这种分枝点失稳如图2c 所示,虽然屈曲后平衡路径12是稳定的,但在此之前,平衡路径要经过不稳定的分枝点,结构也可能向相反的方向屈曲,即路径13。初始缺陷使平衡变成虚线所示形式,所以这类结构的失稳没有屈曲后强度。承受集中荷载的Γ形框架、桁架等的失稳就属此类失稳形式。4.2 极值点失稳 极值点失稳是指结构的弯曲变形将大大发展,而不出现新的平衡形式,即结构的平衡形式不出现分枝现象,其失稳过程的荷载-变形曲线如图2中的虚线所示。随着荷载的增加,变形随之增长,形成曲线的上升段,结构处于稳定平衡状态;但是到达曲线的最高点时,结构的抵抗力开始小于外力作用,最高点为结构承载力的极限点,结构开始丧失整体稳定。 从压稳过程可知,其荷载-变形曲线只有极值点,没有出现由直线平衡状态向弯曲平衡状态过渡的分枝点,结构弯变形的性质始终不变,所以称这种失稳为极值点失稳,也称为第二类失稳。 实际上由于各种缺陷的影响,结构发生的失稳几乎都为极值点失稳形式,所谓分枝点失稳只是理想状态下的失稳形式。4.3 跃越失稳 如图3所示两端铰接的坦拱结构在均布荷载作用下产生挠度,其荷载—挠度曲线有稳定的上升段,但是到达曲线的最高点时会突然跳跃到一个非临近的具有很大变形的点,即由向上拱起的位移突然跳到下垂的位形,与A 点对应的荷载q cr 为坦拱的临界荷载;下降段AB 不稳定,BC 段虽然稳定上升,但是因为结构已经破坏而不能被利用。这种结构由一个平衡位形突然跳到另一个非临近的平衡位形的失稳现象称为跃越失稳。跃越失稳既无平衡分枝点,又无极值点,但与不稳定分枝点失稳又有相似之处,都在丧失稳定平衡后经历一段不稳定平衡,然后达到另一个稳定平衡状态 。 a -均布荷载作用下的坦拱; b -荷载-挠度曲线 图3 跃越失稳 扁壳、扁拱、扁网壳、大跨门式刚架、油罐、扁球 壳顶盖等的失稳就属此种类型。5 稳定问题的分析方法 稳定问题的分析方法多种多样,从解的精确程度上讲,有精确法和近似法;从原理方面讲,有静力法、能量法和动力法;从分析阶段方面,有弹性或线性分析和非线性分析。以下主要从原理方面论述稳定问题的分析方法。5.1 静力法 将根据结构的静力平衡条件建立平衡方程,通过求解平衡方程进行稳定分析的方法称为静力法。静力法一般常用的有中性平衡法、转角位移法、结构矩阵位移法和假想荷载法等方法。 1)中性平衡法中性平衡法是求解结构稳定临界荷载的最基本的方法。对于分枝点失稳,由于在同一荷载即临界荷载作用下,结构可能存在两种以上的平衡状态,一个是原始平衡状态,一个是已经有了微小变形的结构的平衡状态,称为平衡状态的二重性,这是分枝点失稳时临界状态的静力特征。中性平衡法就是根据已产生了微小变形后结构的受力条件建立平衡方程后求解的。 中性平衡法尽管只能求解屈曲临界荷载,不能判断结构平衡状态的稳定性,但由于通常只需要得到结构的临界荷载,所以经常采用中性平衡法,况且,在许多情况下,采用中性平衡法可以获得精确解。 2)转角位移法转角位移法是求解刚架结构稳定的常用方法,是一种近似方法。该方法是以节点的转角位移和构件的相对侧移为未知量,针对每个杆件的每个端部写出转角位移方程,再根据节点力矩平衡或构件平衡条件,得到平衡方程,进而得到稳定方程,求解稳定方程即可得到临界荷载。 3)假想荷载法 假想荷载法是研究薄壁构件稳定理论的一种有效方法。该方法是在微元上建立平衡微分方程,得到变形后微元法线方向上假想面荷载分量,从而得到薄壁构件弯曲屈曲平衡微分方程,求解平衡微分方程即可。 4)有限单元法-结构矩阵位移法 将构件分为若干单元,根据单元结点的位移和内力之间的对应关系,每一个单元可建立一个方程式。然后,应用结点平衡条件,将各单元刚度矩阵联系起来,构成一个整体刚度矩阵,从而求得结点位移。再根据结点位移,求得各构件端部内力。鉴于分析过程是建立在结构力学的位移法的基础上,所以又称为结构矩阵位移法,还称为刚度矩阵法。5.2 能量法 2 26 可以将以通过求解结构变形曲线进行稳定分析的方法统称为能量法。该类方法的基本特征是通过假设位移函数逐步逼近结构的真实位移曲线,然后得到结构总势能,进行求解稳定问题。 结构承受着保守力,可以根据有了变形的结构的受力条件建立总势能,总势能是结构的应变能和外力势能两项之和。如果结构处于平衡状态,则总势能必有驻值。如果结构处于稳定平衡状态,则总势能必有最小值,即为最小势能原理。根据势能驻值原理,由总势能对于位移的一阶变分为零,可得到平衡方程,再由平衡方程求解得到临界荷载。 按照小变形理论,能量法一般只能获得临界荷载的近似解,但是,如果采用与实际变形形式一致的位移函数,同样可以得到精确值,所以,能量法的精确程度主要取决于所假设的变形曲线与实际变形曲线的接近程度。 能量法用于大挠度理论分析,可以判断屈曲后的平衡状态,如果总势能的二阶变分是正值,则平衡状态是稳定的;如果总势能的二阶变分是负值,则平衡状态是不稳定的;如果等于零,还需求高阶变分,进行判断。 基于能量法的方法很多,可以分为直接法和间接法两大类。直接法是将含有无限多变量的泛函变分问题当作有限多变量的函数极值问题的极限情况来处理,直接法中比较常用的方法有:能量守恒原理、势能驻值原理、瑞利—里兹法、伽辽金法、有限差分法、有限积分法、有限单元法、最小二乘法等;间接法是将变分问题通过欧拉方程转化为相应的平衡微分方程。 1)能量守恒原理 保守体系处在平衡状态时,储存于结构体系中的应变能等于外力所作的功,这就是能量守恒原理。临界状态的能量关系为:ΔU=ΔW。 2)势能驻值原理 势能驻值原理为受外力作用的结构,当位移有微小变化而总势能不变,即总势能有驻值时,结构处于平衡状态。其表达式为:δΠ=0,式中,δΠ为结构总势能的一阶变分,有:δΠ=δU+δV=δU-δW= 0。 这样,势能驻值原理还可以表述为:弹性变形体对每一个和约束相容的虚位移,其总势能的一阶变分为零,则该体系处于平衡状态。 势能驻值原理与平衡方程式是等价的,用该原理可以解决复杂结构的弹性稳定问题,如很多结构很难直接建立平衡方程,则可以先写出结构总势能Π,然后利用δΠ=0,即可得到平衡微分方程。 还可以先假定构件挠度曲线形状,给出挠度曲线方程,将其代入总势能Π,通过δΠ=0解出临界荷载。若给出的挠度曲线方程仅满足几何边界条件,称求解临界荷载的方法为瑞利—里兹法,瑞利—里兹法是将求解微分方程变为求解代数方程;若给出的挠度曲线方程不仅满足几何边界条件,而且满足力学边界条件,则称为伽辽金法。伽辽金法是一种加权参数法,也是一种应用虚位移原理的数值方法,是近似地求解微分方程的方法。 3)有限差分法和有限积分法 有限差分法是求解微分方程近似的数值方法,基本方法为:将构件分成有限段,用各阶差分公式近似代替各阶导数,从而用有限个分段点上的函数值来表示各阶导数,使微分方程转化为代数方程。 有限积分法是把挠曲线上任意一点的原函数及各阶导数都用平衡方程中所具有的高阶导数的数值积分式来表示,从而形成高阶导数的代数式。 4)有限单元法-里兹法的应用 将构件分为若干单元,对每一单元采用试解函数来逼近真实位移,而且将结点位移取为里兹法中试解函数的未知量,代入总势能,通过变分得到一组以结点位移为未知量的线性方程,求解以后即可得到临界荷载。 5)以选择位移函数方法命名的方法 对于能量法而言,位移函数选择的合适与否直接决定着稳定问题分析的成败,为此出现了很多选取位移函数的方法,以选取位移函数的方法而命名的方法很多。最常见的有:最小二乘法、样条函数方法、泡函数有限元法等。 6)缺陷法 缺陷法认为:完善而无缺陷的理想中心受压直杆不存在。由于缺陷的影响,杆件开始受力时即产生变形,其值要视缺陷程度而定。在一般条件下缺陷总是很小的,变形并不显著。只有当荷载接近完善系统的临界值时,变形才迅速增至很大。由此确定其失稳条件,求解稳定问题。 7)样条有限点法 样条有限点法是在有限元法与有限条法之间另辟的一条新路。利用样条离散化创立了一类变量、二类变量及三类变量样条有限点法。该方法以B 样条函数、正交函数及最小势能原理为基础,位移函数由B样条函数和正交函数的乘积的线性组合,一个方向采用B样条函数,另一个方向采用正交函数,总刚度矩阵利用最小势能原理建成。 326 8)Q R法 Q R法集有限元法、有限条法、无限元法及样条有限点等方法于一体。QR法建立的刚度方程只与样条结点和级数项有关,与结构的单元总数无关,因此用QR法建立的刚度方程中的未知数较有限元法要少得多,适应性强。 9)非线性有限元方法 非线性分析方法通过跟踪结构在整个加载过程中的荷载-位移的相关关系来确定稳定承载力,能够同时考虑几何非线性和材料非线性以及各种缺陷的影响。 非线性分析要用增量变分原理,根据建立有限元刚度方程的方法不同,增量变分原理分为:完全的拉格朗日格式,即TL法、更新的拉格朗日格式,即UL法和欧拉格式。 TL法是以已知初始位形作为计算的参考点,而UL法是以已知的前一步位形作为计算的参考点,欧拉格式则以未知的当前位形作为计算的参考点。 非线性分析中求解非线性平衡方程是关键,求解非线性平衡的方法很多,比较常见的有:纯增量方法,即切线刚度法、增量-迭代方法、牛顿-拉夫孙方法、位移控制法、弧长法、荷载功控制法、当前刚度参数法、广义刚度参数法等。 5.3 动力法 处于平衡状态的结构体系,如果施加微小干扰使其发生振动,这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限值时,加速度和变形的方向相反,因此干扰撤去后,运动趋于静止,结构的平衡状态是稳定的;当荷载大于极限值时,加速度和变形的方向相同,即使将干扰撤去,运动仍是发散的,因此结构的平衡状态是不稳定的;临界状态的荷载即为屈曲荷载,可由结构的振动频率为零的条件求解。 6 结 语 正确理解钢结构稳定的基本概念、明确研究的对象、认识清楚稳定的特点和稳定类型以及了解分析稳定问题的各种方法等对钢结构的稳定设计是非常重要的,它有利于对稳定计算本质的理解,可以从总体上把握稳定计算;通过判断结构的失稳类型,可以正确估量结构稳定承载力;只有了解稳定分析方法的本质,才能正确选择分析方法,也才能对计算结果的正确与否做出判断。 参考文献 1 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南.北京:中国建筑工业出版社,1996 2 吕烈武.钢结构构件稳定理论.北京:中国建筑工业出版社,1983 3 童根树.钢结构的平面内稳定.北京:中国建筑工业出版社,2005 4 童根树.钢结构的平面外稳定.北京:中国建筑工业出版社,2007 5 郭耀杰.钢结构稳定设计.武汉:武汉大学出版社,2003 6 G B50017—2003 钢结构设计规范 7 G B50018—2002 冷弯薄壁型钢结构技术规范 8 CECS102∶2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 9 J G J99-98 高层民用建筑钢结构技术规程 (上接第538页) 3 结 论 本文在体内预应力钢屋架结构的先期研究工作的基础上,进一步在理论上描述了结构成型过程,结合数值模拟算例研究了结构在成型过程中的变形以及内力分布情况。以期更好地认识体内预应力钢屋架结构,为后面的参数分析研究以及结构设计做准备。 参考文献 1 沈世钊.大跨空间结构理论研究和工程实践.中国工程科学, 2001,3(3):34-41 2 张毅刚,祖 青,韩 青,等.新型体内预应力钢屋架的张拉成型与受力性能分析.钢结构,2006,21(5):56-59 3 祖 青.体内预应力钢屋架结构关键设计参数研究:[硕士学位论文].北京:北京工业大学,2006 4 Punniyakotty N M,Richard Liew J Y,Shanmugam N E.Non2 linear Analysis of Self2Erecting Framework by Cable2Tensioning Technique.Journal of Struct ural Engineering,2000:361-370 5 韩 青,张毅刚,祖 青,等.预应力拱架结构的找型方法//第十一届空间结构学术会议论文集.南京:2005:266-269 6 宋 威.新型体内预应力钢屋架张拉成形及受荷全过程试验研究:[硕士学位论文].北京:北京工业大学,2006 426 浅谈建筑钢结构设计现状及存在的问题王爽 发表时间：2020-01-13T14:10:21.833Z 来源：《基层建设》2019年第28期作者：王爽 [导读] 摘要：随着社会经济的发展，我国的建筑工程建设有了很大进展，在建筑工程中，钢结构的应用十分广泛。 四川俊成工程项目管理咨询有限公司四川省攀枝花市 617000 摘要：随着社会经济的发展，我国的建筑工程建设有了很大进展，在建筑工程中，钢结构的应用十分广泛。建筑钢结构逐渐代替了传统的砖混结构，为建筑行业的发展提供了支持。但是，在建筑钢结构应用过程中，仍存在一系列问题，影响着建筑钢结构的整体质量。基于此，文章介绍了建筑钢结构设计的相关内容，研究了建筑钢结构设计现状及存在的问题，并对建筑钢结构设计的发展进行了分析。 关键词：建筑工程；钢结构设计；现状 引言 在建筑钢结构的设计工作中，应正确设定钢材的等级，合理开展楼面系统与地基系统中的钢结构设计工作，确保在正确完成各方面设计任务的基础下，保证整体区域的设计工作质量与强度，并延长使用寿命。 1建筑钢结构安全施工技术概念 工程结构会涉及比较多的模式，其中应用比较普遍的一种结构技术就是钢结构模式，由于钢结构在使用过程中会呈现出复杂性特点，因此需要通过焊接工作，使其形成较稳固的建筑结构。相比于传统建筑，为保证工程质量，建筑结构一般是由混凝土和砖瓦等结构组成，其整体造价水平不高，且建筑性能也不是很高，甚至还会对施工环境带来较大影响。但钢结构的应用，就能对施工建设过程中的问题进行较好的解决，存在较大的应用空间，需要注意的是，由于钢结构自身具有的负载水平有限，所以施工时会存在较多限制。较多施工企业在钢结构工程中选择焊接方式，是由于焊接技术成本不高，且操作简单，使用材料较常见等，同时，焊接截面具有较高的工作效益。钢结构焊接技术主要分为电阻焊模式及电弧焊模式2种。电弧焊技术主要包含手动电弧模式及气体保护焊模式，相比于电阻焊技术，电弧焊技术被广泛应用于钢结构工程中。同时，电阻焊技术则在薄壁式钢焊接施工中得到了较高的应用。 2现阶段钢结构工程存在的质量问题 由于受到客观建筑施工条件带来的影响，常会出现钢结构工程质量问题，对其产生的影响因素相对来说比较多，因此需要结合问题进行相应的分析。在分析钢结构质量问题的过程中，应该从多个方面进行，由于焊接裂缝的出现会和焊接金属材质存在着比较密切的联系，与此同时还和焊接内部的相关结构以及母材状况等存在一定联系，如果选择的焊接材料出现问题，就会影响建筑工程在日后使用的质量，甚至质量不过关。钢结构工程如果不能科学合理的设计，就会阻碍工程整体质量，如焊接接缝出现进气现象，较多的氢气进入会在一定程度上致使裂缝延迟，再加上钢构件长时间都承载较重的压力，就会致使构件出现弯曲以及变形等现象，不能加强工程实际质量。 3建筑钢结构设计工作的要点 3.1明确具体的钢材等级 在选用材料的工作中，应正确开展屈服与抗拉强度的分析工作，了解伸长率，开展各种弯曲试验活动，调查硫元素与磷元素的含量，确保每项数据都能符合钢材的设计与应用标准。如果操作流程中有焊接环节，那么就要进行含碳量的分析调查，将其控制在规定范围之内。在地震带区域的钢结构方面，不仅要具备以上几点性能，还需确保冲击韧性符合要求，根据具体的抗震设计标准与规范等，明确钢材的物理指标与力学指标，提升整体设计工作水平。 3.2钢结构的抗火设计 钢主要是由非燃烧材料制成，在高温下热膨胀系数会不断增加，因而钢的热导率和电阻比较强，会引发火灾蔓延现象，部分钢在600℃的高温中会失去自身的强度，且在火灾中会很脆弱，在高层建筑中还会引发火灾，不易控制。因此，设计人员应该做好高层建筑耐火钢的设计工作。现阶段，我国高层建筑钢结构耐火设计相对落后，整体抗火设计应在组件级别和建筑防火设计的基础上确定。 3.3注重细部设计 为了进一步确保建筑钢结构设计能够最大程度满足其建设要求，相关工作人员在分析钢结构设计时，需要确保节点设计具有更高的科学性，因此，在进行细节部分设计时，必须对其进行氛围精确的计算，确保其完善。在我国目前开展建筑工程施工过程中，普遍选择使用杆系结构，该结构通常对钢材细部节点和内部结构都具有较为复杂的要求，在不同构件之间所具有的约束作用普遍较小，相关工作人员可以选择在施工现场直接进行刚才拼装，只有确保在建筑工程中进行钢结构设计时，严谨考虑细节部分并对其进行科学设计，才能进一步确保钢结构具有更高的稳定性，安和安全性，对其应用价值进行更高程度的保障。 3.4做好构件以及节点设计 为保证钢结构的设计效益得到提升，必须要对其软件界面的开展做出相应的优化，缩短钢结构的应用成本。对于一些复杂的钢结构而言，设计人员需要检测好每一个构件界面，特别是在节点模块的设计工作，这也是钢结构设计中的重点。在此过程中，需要做好等强设计以及实际受力情况的分析，设计时也包括了焊接及梁柱体等。在节点设计的同时，需要做好相处焊接施工的检查，做好螺栓安装工作，保证安装程序顺利的进行。 3.5钢结构设计的技术标准和规范 在钢结构设计过程中，设计人员需要引进先进的技术，加强对技术标准和规范的掌握，深入贯彻并理解这些标准和规范，形成遵循严格标准和规范的习惯，提升钢结构的整体质量。现阶段，在钢结构计算和绘图过程中，设计人员往往会借助电脑进行，不注重自身实践能力的提升。因此，设计人员需要做好钢结构设计中的各项工作，还要重视钢材、连接材料、焊接材料、应用标准等，合理地选择材料，以满足相关规范和质量要求。 结语 综上所述，在建筑钢结构设计工作中应形成与时俱进的观念意识，根据时代发展的特点与需求等，编制完善的设计方案，一旦发现其中有问题，就要按照具体的要求变更与完善设计方案。所在，要因地制宜开展设计工作，合理选择先进的原材料，确保材料的高质量使用，将不同设计方式的优势与作用发挥出来，保证相关设计工作质量与水平，为后续的进展夯实基础。 参考文献 [1]王聪，孙兰香，许颖颖.建筑工程项目中钢结构设计中稳定性分析[J].居舍，2017（36）：78. 钢结构稳定设计指南 钢结构失稳形式存在多样性外，还应了解下列四个方面的特点：(1)稳定问题要考虑构件及结构的整体作用；(2)稳定计算要按二阶分析进行；(3)考虑初始缺陷的极值稳定计算正在取代完善构件的分岔点稳定计算；(4)稳定性不仅通过计算来保证，还需要从结构方案布置和构造设计来配合。 关键字：钢结构稳定，轴心压杆，计算长度，受弯构件，框架稳定 一．钢结构稳定问题的待点 失稳形式存在多样性外，还应了解下列四个方面的特点：(1)稳定问题要考虑构件及结构的整体作用；(2)稳定计算要按二阶分析进行；(3)考虑初始缺陷的极值稳定计算正在取代完善构件的分岔点稳定计算；(4)稳定性不仅通过计算来保证，还需要从结构方案布置和构造设计来配合。 二．轴心压杆的稳定计算 (1)影响轴心压杆稳定承载力的最主要因素是残余应力，它是把稳定系数分成a、b、c三类的依据，残余压应力越大，位置距形心轴越远，值越低。 (2)轴心压杆不仅会发生弯曲失稳，也可能发生扭转失稳。在采用单轴对称截面时．需要特别注意扭转的不利作用。 (3)设计格构柱时，需要了解几何缺陷的不利影响和柱肢压缩对缀条的影响。 三．轴心压杆的计算长度 关于压杆计算长度的确定，需要明确以下几点： (1)确定杆系结构中的杆件计算长度时，应把它和对它起约束作用的构件一起作稳定分析。这是稳定性整体计算的一种简化方法。压杆一般不能依靠其他压杆对它的约束作用，除非两者的压力相差悬殊。 (2)节点连接的构造方式会影响杆件的稳定性能。因此，杆件计算长度和构造设计有密切联系。比如杆件在交叉点的拼接会影响它的出平面弯曲刚度并使计算长度增大。又如起减小计算长度作用的撑杆的连接有偏心，会降低它的有效性。 (3)塔架杆件的计算长度有不同于平面桁架(屋架)的特点．主杆和腹杆都各有其特殊之处。此外、塔架中单角钢杆件预期绕平行轴失稳时，需要考虑扭转的不利影响。 (4)桁架体系的支撑构件和塔架中的横隔构件都对杆件的计算长度有直接影响。确定桁架杆件出平面计算长度时，需要特别注意杆系的相互关系 四. 受弯构件的整体稳定 钢结构理论与设计随堂练习题汇总 一、绪论 1.大跨度结构常采用钢结构的主要原因是钢结构（B ） A．密闭性好B．自重轻 C．制造工厂化D．便于拆装 2.钢结构的抗震及抗动力荷载性能好是因为（C ） A．制造工厂化B．密闭性好 C．自重轻、质地均匀，具有较好的延性D．具有一定的耐热性 3.多层住宅、办公楼主要应用了（ C ） A．厂房钢结构B．高耸度钢结构 C．轻型钢结构D．高层钢结构 4.钢结构的主要结构形式有（ABCDE） A．框架B．桁架 C．拱架D．索 E．壳体F．管状 5.高耸钢结构的结构形式多为空间桁架，其特点是高跨比较大，一垂直荷载作用为主。（）答题： . 错. 6.钢结构的各种形式只能单独应用，不能进行综合。（） 答题： . 错. 二、钢结构的材料·钢材单向均匀受拉时的力学性能 1.钢材的标准应力-应变曲线是通过下列哪项试验得到的？（B ） A．冷弯试验B．单向拉伸试验 C．冲击韧性试验D．疲劳试验 2.钢材的力学性能指标，最基本、最主要的是（B ）时的力学性能指标 A．承受剪切B．单向拉伸 C．承受弯曲D．两向和三向受力 3.钢材的抗剪强度设计值与钢材抗拉强度设计值f的关系为（C ） A．B． C．D． 4.钢材的设计强度是根据什么确定的？（ C ） A．比例极限B．弹性极限 C．屈服点D．极限强度 5.在钢结构构件设计中，认为钢材屈服点是构件可以达到（ A ） A．最大应力B．设计应力 C．疲劳应力D．稳定临界应力 6.钢材的伸长率δ用来反应材料的（ C ） A．承载能力B．弹性变形能力 C．塑性变形能力D．抗冲击荷载能力 7.结构工程中使用钢材的塑性指标，目前最主要用什么表示？（ D ） A．流幅B．冲击韧性 对建筑钢结构设计及安装的探讨 摘要：由于钢结构具有施工工期短、结构自重小、构件可循环利用等优点，近年来钢结构在我国的不同建筑功能、不同建筑高度以及不同地震烈度和场地类型的建筑中均获得了快速的发展。本文对建筑钢结构的设计和安装进行了浅要的探究和讨论。 关键词: 钢结构；设计；安装 一、引言 由于钢筋混凝土结构自重大，并且柱子所占的建筑面积比率较大；而同时，随着高强度钢材的横空出世已经钢结构理论研究的不断完善，钢结构已经越来越广泛地应用到了建筑结构当中。由于钢结构的构件可以进行工厂化批量生产，并且施工简单快捷，有利于缩短施工工期；同时钢结构在自重方面与钢筋混凝土结构相比，可以减轻建筑结构自重的30%；另外钢结构体系时一种环保型的绿色建筑体系，因为钢材具有极高的循环利用价值，而且不需要进行制模施工。综合上述特点，近年来钢结构在我国的不同建筑功能、不同建筑高度以及不同地震烈度和场地类型的建筑中均获得了快速的发展。 二、建筑钢结构的设计 1、钢结构的构件设计 建筑钢结构的设计首先是构件材料的选择，通常选用的是Q235或者Q345为钢构件材料，并且主结构一般选用单一的钢种以便于整个工程的管理，另外从经济方面来考虑，适当地选择不同强度的钢材作为组合截面也是很有效的。一般而言，当考虑强度来起控制作用时，应选择Q345钢；而考虑稳定来起控制作用时，则选择Q235钢。在钢构件的设计中，应注意采用弹塑性的方法来进行截面的验算，这和结构的内力计算中的弹性方法并不相同。 2、钢结构的节点设计 钢结构连接节点的设计是其设计中的一项重要内容，在钢结构的分析之前，就要对节点的形式进行充分的思考，以避免最终设计出的节点和结构的分析模型中采用的形式不一致的现象。根据节点传力特性的不同，共分为刚接、半刚接和铰接，通常选用刚接或者铰接。当节点采用焊接时，应对于节点焊缝的尺寸和形式进行符合规范要求的设计，其焊条的选用应当和被连接的材料性质相适应，具 一、 填空题（每空1分，共10分） 1、钢材的两种破坏形式分别为脆性破坏和 。 2、焊接的连接形式按构件的相对位置分为 、搭接、角接和T 形连 接。 3、钢结构中轴心受力构件的应用十分广泛，其中轴心受拉构件需进行钢结构强度和 的验算。 4、轴心受压构件整体屈曲失稳的形式有 、和 。 5、梁整体稳定判别式11l b 中，1l 是 1b 。 6、静力荷载作用下，若内力沿侧面角焊缝没有均匀分布，那么侧面角焊缝的计算长度不宜大于 。 7、当组合梁腹板高厚比0w h t ≤ 时，对一般梁可不配置加劲肋。 二、 单项选择题（每题2分，共40分） 1、有两个材料分别为Q235和Q345钢的构件需焊接，采用手工电弧焊， 采用E43焊条。 (A)不得 (B)可以 (C)不宜 (D)必须 2、工字形轴心受压构件，翼缘的局部稳定条件为y f t b 235) 1.010(1λ+≤，其中λ的含义为 。 (A)构件最大长细比，且不小于30、不大于100 (B)构件最小长细比 (C)最大长细比与最小长细比的平均值 (D)30或100 3、偏心压杆在弯矩作用平面内的整体稳定计算公式 x 1(10.8') mx x x x Ex M f A W N N βN ?γ+≤-中，其中，1x W 代表 。 (A)受压较大纤维的净截面抵抗矩 (B)受压较小纤维的净截面抵抗矩 (C)受压较大纤维的毛截面抵抗矩 (D)受压较小纤维的毛截面抵抗矩 4、承重结构用钢材应保证的基本力学性能内容应是 。 (A)抗拉强度、伸长率 (B)抗拉强度、屈服强度、冷弯性能 (C)抗拉强度、屈服强度、伸长率 (D)屈服强度、伸长率、冷弯性能 5、随着钢材厚度的增加，下列说法正确的是 。 (A)钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度均下降 (B)钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度均有所提高 (C)钢材的抗拉、抗压、抗弯强度提高，而抗剪强度下降 (D)视钢号而定 6、在低温工作(-20oC)的钢结构选择钢材除强度、塑性、冷弯性能指标外，还需要 的指标是 。 (A)低温屈服强度 (B)低温抗拉强度 (C)低温冲击韧性 (D)疲劳强度 7、直角角焊缝的有效厚度e h 的取值为 。 (A)0.7f h (B)4mm (C)1.2f h (D) 1.5f h 8、对于直接承受动力荷载的结构，计算正面直角焊缝时 。 (A)要考虑正面角焊缝强度的提高 (B)要考虑焊缝刚度影响 (C)与侧面角焊缝的计算式相同 (D)取f β＝1．22 9、单个螺栓的承压承载力中,[b b c c N d t f =?∑]，其中∑t 为 。 (A)a+c+e (B)b+d (C)max{a+c+e ，b+d} (D)min{ a+c+e ， b+d} 10、承压型高强度螺栓可用于 。 浅谈建筑工程钢结构设计稳定性原则和设计要点 摘要：新时代，我国工业迅猛发展，需要越来越多的厂房，给建筑行业带来了 挑战。钢结构受到当代人们的广泛认可，被应用于各种类型的建筑物建设过程中，相比于传统砖石、砼结构，其具有力学、材料等应用优势。通过分析钢结构应用 情况可知，在建筑工程中钢结构设计稳定性十分重要。 关键词：建筑工程；钢结构；设计；光明文化艺术中心项目 引言 建筑工程钢结构设计关乎到建筑物稳定性，对建筑质量具有较高影响，因此，研究稳定性设计原则与要点具有现实意义。通过规范、科学的稳定性设计能够充 分发挥钢结构作用，增强建筑工程安全性、稳固性，保障人们的生命财产安全。 1.钢结构设计稳定性概述 建筑工程钢结构具有多样性特点，其稳定性主要体现在钢结构设计环节，即 钢结构承载力设计部分，开展该部分设计工作时需要重点分析钢结构稳定性。钢 结构在应用过程中容易出现结构变形，导致未承载部分荷载，进而引发稳定性问题。钢结构设计要求多种结构吻合，若局部出现设计瑕疵会影响其他部分。另外，钢结构由众多构件组成，因此其若出现整体失稳情况，会影响其他构件。 2.钢结构设计稳定性原则 2.1结构稳定设计原则 钢结构较为特殊，其设计工艺相对复杂，在开展设计工作时需要依托于信息 技术检测质量，只有在确保质量达标的情况下才能够将设计图纸运用于建筑工程 实际施工中。实施检测工作时需要将钢结构水平承载、抗震系数以及结构阻尼比 等作为参数，设计师在设计环节需要结合施工现场自然环境，确定其水平荷载系数，进而保证水平层面稳固。钢结构整体稳固十分重要，保证整体稳固是设计重点，不管应用何种设计技术，必须将稳定性置于首位。钢结构构件对其稳定性有 重要影响，容易埋下安全隐患，严重的甚至可能引发安全事故。基于此，设计师 必须树立安全意识，应用科学、规范、合理的方法进行设计，以形成更多优质产品。 2.2剪力调整设计原则 目前，建筑工程形态愈加复杂，不对称设计广泛存在于建筑施工中，其逐渐 形成了一种建筑潮流，因此，斜柱使用频率越来越高，斜柱相较于垂直构件其具 有一定的倾斜角度，想要保证建筑物稳定就必须设计一定的剪力。设计师在设计 钢结构具体内容时，通常会为了简便，将垂直构件表述为柱子，将斜柱表述为斜杆，这种设计方式虽然不会影响建筑物实际稳定性，但若调整剪力容易受到干扰。于斜柱来讲，它具有水平受力的功能，但是垂直向也需要荷载，若设计师忽略了 垂直向的荷载，则会造成剪力误差，进而影响建筑工程钢结构稳定性。基于此， 设计师在实际设计环节，结合建筑工程实际状态，若需要进行剪力设计，必须坚 持剪力调整设计原则，针对具体施工状态灵活调整剪力，进而保障钢结构稳定性。 2.3强柱弱梁设计原则 若钢结构设计具有实效性，质量较高，则若水平承载过大或者需要强力荷载，塑性铰会出现在梁上，但若其设计质量较低，其会出现在柱子上。基于强柱弱梁 设计原则能够增强钢结构抗压能力，以提高强力下的钢结构荷载能力，使其能够 随堂练习提交截止时间：2017-12-15 23:59:59 当前页有10题，你已做10题，已提交10题，其中答对8题。 1. 钢结构的抗震及抗动力荷载性能好是因为（） A．制造工厂化 B．密闭性好 C．自重轻、质地均匀，具有较好的延性 D．具有一定的耐热性 参考答案：C 2. 下列钢结构的特点说法错误的是( ) A．钢结构绿色环保 B．钢结构施工质量好，工期短 C．钢结构强度高、自重轻 D．钢结构耐腐蚀、耐热防火 参考答案：D 3. 大跨度结构常采用钢结构的主要原因是钢结构（） A．密闭性好 B．自重轻 C．制造工厂化 D．便于拆装 参考答案：B 4. 多层住宅、办公楼主要应用了（） A．厂房钢结构 B．高耸度钢结构 C．轻型钢结构 D．高层钢结构 参考答案：C 5. 钢结构设计内容正确的顺序是（）。 A．确定选定的钢材牌号―结构选型和结构布置―确定荷载并进行内力计算―构件截面设计―构件链接设计―绘制施工图，编制材料表 B．结构选型和结构布置―确定选定的钢材牌号―确定荷载并进行内力计算―构件截面设计―构件链接设计―绘制施工图，编制材料表 C．结构选型和结构布置―确定选定的钢材牌号―构件截面设计―确定荷载并进行内力计算―构件链接设计―绘制施工图，编制材料表 D．结构选型和结构布置―确定选定的钢材牌号―构件截面设计―构件链接设计―确定荷载并进行内力计算―绘制施工图，编制材料表 参考答案：B 6. 钢结构设计用到的规范是( ) A．《建筑结构荷载规范》 B．《钢结构设计规范》 C．《钢结构工程施工质量验收规范》 D．以上有需要 参考答案：D 7. 钢材的标准应力-应变曲线是通过下列哪项试验得到的？（） A．冷弯试验 B．单向拉伸试验 C．冲击韧性试验 D．疲劳试验 参考答案：B 8. 钢材的力学性能指标，最基本、最主要的是（）时的力学性能指标 A．承受剪切 B．单向拉伸 C．承受弯曲 D．两向和三向受力 参考答案：B 9. 钢材的伸长率δ用来反应材料的（） A．承载能力 B．弹性变形能力 C．塑性变形能力 D．抗冲击荷载能力参考答案：C 10. 下列是钢的有益元素的是（） A. 锰 B 硫 C 磷 D 氢 参考答案：A 11. 下列是不影响钢材性能的钢材生产过程（） A. 炉种 B 浇筑前的脱氧 C 钢的轧制 D 钢筋的调直 参考答案：D 12. 复杂应力状态下钢材的屈服条件一般借助材料力学中的第（）强度理论得出。 A. 一 B 二 C 三 D 四 参考答案：D 13. 下列是钢材塑性破坏特征的是（） A. 破坏前的变形很小，破坏系突然发生，事先无警告，因而危险性大 B 破坏时的应力常小于钢材的屈服强度fy C 断口平直，呈有光泽的晶粒状 D 构件断裂发生在应力到达钢材的抗拉强度fu时 参考答案：D 14. 下列防止钢材脆断的措施中错误的是（） A. 焊接结构，特别是低温地区，注意焊缝的正确布置和质量 B 选用厚大的钢材 STAAD在钢结构稳定设计中的应用 李晓峰孙立夫林润松 （BENTLEY软件（北京）有限公司） 稳定问题在钢结构设计中居于中心地位。本文试图结合 STAAD对三个常规钢结构的稳定问题进行讨论，整理出来 进行稳定计算的大致思路和注意事项。这里的模型仅仅是为 了演示的方便为任意创建的“玩具”模型，希望读者不要被 误导。本文重点讨论了所谓考虑初始缺陷的二阶弹性分析在 STAAD中的应用。相对于一阶分析的计算长度法，二阶分 析现在似乎比较流行，而传统的计算长度系数法遭到很多的 诟病。作者认为，计算长度系数法，和其他很多近似算法一 样，因为其结果的近似遭到的指责是不公平的——使用者应 该明确该方法的计算假定，适用范围以及结果的近似程度， 并对结果负责。对真正的结构工程师，使用近似算法仍然可 以设计出具有足够安全储备的合理结构，而对所谓的更精确 的二阶分析的盲目滥用，却大大增加了结构失效的风险。 现在大多数国家的钢结构设计标准都推荐进行二阶分析以 考虑所谓的P-?效应和P-δ效应。我们先明确结构P-?效应 和P-δ效应究竟是什么？考虑如下的一个有侧移简单刚架 （图1，文献1）： 图1 有侧移刚架的P-?效应 上图为一简单刚架成受线载时的弯矩图。左边的弯矩对应为 一阶分析的结果，右边的对应为二阶分析的结果(未考虑任 何缺陷)。可以看出，在右边柱的二阶分析的结果多出来了 弯矩，该弯矩是由柱的轴力（所谓的P）乘以框架的侧移（所 谓的?）产生的，所以称之为P-?效应。 类似的，考虑如下的无侧移框架（图2，文献1） : 图2 无侧移框架的P-δ效应 在图2的两个无侧移框架的模型中，左边为一阶分析的结 果，右边为二阶分析的结果。相对前面的有侧移框架，本例 中两个柱子之间的弯矩差别很微小（柱端弯矩由388kN.m 增加到393kN.m，且弯矩图的形状由直线变为具有微小曲率 的曲线）。柱弯矩的增大部分主要是由柱本身的局部侧移δ 产生的，因为框架几乎不产生任何水平位移?，所以称为 P-δ效应。 由这个小例子，文献1归纳并指出了二阶分析和一阶分析的 一些基本的区别： a)二阶效应不仅仅影响弯矩，还会影响整个的剪力与轴 力； b)二阶效应中的内力分布形态完全不同于一阶分析，并不 是一阶分析结果的简单放大。 c)在实际的结构中，总是同时存在有P-?效应和P-δ效 应，只不过其影响的程度和结构的具体形式有关。一般 来说，在抗侧刚度大的结构中，是局部的P-δ效应占 主导；在抗侧刚度小的结构中，是整体P-?效应占主导。 d)因为前述原因，通常的荷载线性组合不适用于二阶分 析。因此必须在每个组合好的工况进行二阶分析。 在实际的结构中，通常P-?效应是针对结构的整体而言，是 一个宏观的概念；而P-δ效应是针对具体的单个构件而言， 是相对微观的概念。对FEA软件而言，两者都可通过在分 析中考虑附加的所谓的几何刚度（geometric stiffness）反应 出来（考虑P-?效应的方法很多，包括很多迭代法等等，但 考虑几何刚度的方法是这些方法中最有效率的方法之一）。 在STAAD中，用户如果选择执行所谓的PDELTA分析时， 可以让程序考虑几何刚度，分析命令的关键词为PDELTA KG ANALYSIS ，KG关键词指示程序考虑几何刚度。可 同时考虑杆件和板壳的几何刚度，这可应用在对二维板壳模 型的分析中。 结构不可避免的会存在各种几何和物理的缺陷，而这些缺陷 会直接影响结构的稳定承载力，因此用于工程设计的分析必 须能反映缺陷的影响。使用二阶弹性分析计算稳定时，最重 要的一步是对结构的缺陷的估计和模拟，这往往也是最困难 建筑钢结构的稳定性设计综述 摘要：建筑钢结构设计不但施工工艺简单，质量轻，而且还具有很高的强度， 但同时钢结构本身也存在一定的不稳定性，在外力干扰作用下，极易发生结构失稳，从而对建筑结构的平衡力和结构产生一定负面影响，一旦结构出现变形，必 然会对钢结构寿命和正常使用造成一定负面影响，从而增加工程事故发生概率。 为了有效改善此情况，有必要进一步分析和研究能够提高建筑钢结构设计稳定性 的设计方法，从而大大提升建筑钢结构的稳定性性能。 关键词：钢结构；稳定性；设计 前言：稳定性是钢结构设计的重要环节。一旦无法保证稳定性，对于这座建 筑而言，将失去它的意义。在建筑钢结构设计中，稳定性的考虑是最基本的问题，假设得到不妥善处理，必然会影响建筑的稳定性。在混凝土钢结构设计中，应先 对钢结构进行计算，再进行验算，以避免钢结构的失稳。为了克服这些困难，保 证建筑结构的性能，目前钢结构稳定设计中存在的缺陷主要集中在钢结构对稳定 性的影响上。 1建筑钢结构概述 1.1建筑钢结构的优点 由于建筑钢结构是一种能保证建设工程稳定的结构，它起着支撑作用，并具 有一定的抗震效果，其塑性和强度都比较强。在发生地震时，钢结构具有一定的 缓冲作用，减少了地震对房屋的破坏，提高了建筑物的安全性。建筑钢结构支撑 着整个建筑物，建筑钢的材料具要比钢筋混凝土材料要精确的多，所以会有部分 人在建筑工程项目中选择使用建筑钢结构。钢结构的可塑性也比较强，钢结构适 用于各种跨度比较大的建筑，较强的可塑性，导致建筑钢结构在受力过程中更加 的合适。而建筑钢结构的施工方法相对简单，建筑钢结构由钢板组成，钢板的生 产工艺也非常简单，大大缩短了施工周期。 1.2建筑钢结构存在的不足 建筑钢结构在建筑工程中的应用还存在一些不足。与其他建筑材料相比，钢 结构的耐腐蚀性和耐火性相对较低。如果有腐蚀性的东西，结构就会损坏。而且，如果发生火灾，房子很容易着火。危险和安全隐患很多。这些情况都不利于房屋 的质量安全。在实际的施工过程中，很多的建筑项目会选择一些强度比较低的钢 结构，这样就会导致建筑项目在施工过程中出现各种各样的问题。 2钢结构稳定设计中的几个问题 2.1结构完整性的影响 在钢结构设计稳定性分析过程中，设计者需要有一种全局感，从整体建筑的 角度考虑钢结构的整体性，充分考虑构件本身的特点。随着数据信息运用效率的 提升，分析钢结构设计中整体刚度、失稳问题的时候常常以临界压力求解法、折 减系数等方式，计算出轴心杆的稳定性。同时弹性稳定性设计也是钢结构设计中 的重要内容，在计算的过程中不仅仅要考虑钢结构本身的稳定性，还要做二阶分析。主要是因为结构内力被建筑结构中部分柔性构件变形量而影响，最后发生变化。对于应力叠加问题，设计人员应充分考虑。由于弹性稳定计算和结构变形关 系分析非常复杂，目前在弹性稳定计算中还没有得到广泛的应用。 2.2不确定因素分析 钢结构设计的稳定性会受到许多不确定因素的影响，主要表现在物理、几何 和力学方面。在结构设计中，涉及到材料、截面面积、构件尺寸、应力等诸多因 2011年课程考试复习题及参考答案 钢结构设计原理 一、填空题： 1.钢结构计算的两种极限状态是和。 2.提高钢梁整体稳定性的有效途径是和。 3.高强度螺栓预拉力设计值与和有关。 4.钢材的破坏形式有和。 5.焊接组合工字梁，翼缘的局部稳定常采用的方法来保证，而腹板的局部稳定则 常采用的方法来解决。 6.高强度螺栓预拉力设计值与和有关。 7.角焊缝的计算长度不得小于，也不得小于；侧面角焊缝承受静载时，其计算长 度不宜大于。 8.轴心受压构件的稳定系数φ与、和有关。 9.钢结构的连接方法有、和。 10.影响钢材疲劳的主要因素有、和。 11.从形状看，纯弯曲的弯矩图为，均布荷载的弯矩图为，跨中 央一个集中荷载的弯矩图为。 12.轴心压杆可能的屈曲形式有、和。 13.钢结构设计的基本原则是、、 和。 14.按焊缝和截面形式不同，直角焊缝可分为、、 和等。 15.对于轴心受力构件，型钢截面可分为和；组合截面可分为 和。 16.影响钢梁整体稳定的主要因素有、、、 和。 二、问答题： 1.高强度螺栓的8.8级和10.9级代表什么含义？ 2.焊缝可能存在哪些缺陷？ 3.简述钢梁在最大刚度平面内受荷载作用而丧失整体稳定的现象及影响钢梁整体稳定的主要因素。 4.建筑钢材有哪些主要机械性能指标？分别由什么试验确定？ 5.什么是钢材的疲劳？ 6.选用钢材通常应考虑哪些因素？ 7.在考虑实际轴心压杆的临界力时应考虑哪些初始缺陷的影响？ 8.焊缝的质量级别有几级？各有哪些具体检验要求？ 9.普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接，在抗剪连接中，它们的传力方式和破坏形式有何不同？ 10.在计算格构式轴心受压构件的整体稳定时，对虚轴为什么要采用换算长细比？ 11.轴心压杆有哪些屈曲形式？ 12.压弯构件的局部稳定计算与轴心受压构件有何不同？ 13.在抗剪连接中，普通螺栓连接和摩擦型高强度螺栓连接的传力方式和破坏形式有何不同？ 14.钢结构有哪些连接方法？各有什么优缺点？ 15.对接焊缝的构造有哪些要求？ 16.焊接残余应力和焊接残余变形是如何产生的？焊接残余应力和焊接残余变形对结构性能有何影 响？减少焊接残余应力和焊接残余变形的方法有哪些？ 17.什么叫钢梁丧失整体稳定？影响钢梁整体稳定的主要因素是什么？提高钢梁整体稳定的有效措施 是什么？ 18.角焊缝的计算假定是什么？角焊缝有哪些主要构造要求？ 19.螺栓的排列有哪些构造要求？ 20.什么叫钢梁丧失局部稳定？怎样验算组合钢梁翼缘和腹板的局部稳定？ 三、计算题： 1.一简支梁跨长为5.5m，在梁上翼缘承受均布静力荷载作用，恒载标准值为10.2kN/m（不包括梁自 重），活载标准值为25kN/m，假定梁的受压翼缘有可靠侧向支撑。梁的截面选用I36a轧制型钢，其几何性质为：W x=875cm3，t w=10mm，I / S=30.7cm，自重为59.9kg/m，截面塑性发展系数 x=1.05。 钢材为Q235，抗弯强度设计值为215N/mm2，抗剪强度设计值为125 N/mm2。试对此梁进行强度验算并指明计算位置。（恒载分项系数γG=1.2，活载分项系数γQ=1.4） 浅谈钢结构在某高层建筑结构设计中的实际应用 摘要：在高层建筑结构设计中，钢结构设计是一项复杂且艰巨的工作，科学、合理应用钢结构，可优化和完善高层建筑结构，提高建筑的整体质量。本文结合高层建筑的实际情况，对钢结构在高层建筑结构设计中的应用进行分析与探讨，以推动城市高层建筑的发展。 关键词：高层建筑；结构设计；钢结构；应用 随着社会经济的迅速发展，高层建筑日益驱多，其在城市发展过程中发挥着重要的作用，是城市发展的缩影。由于高层建筑自重大，结构构件的截面尺寸也相应较大，在高层建筑结构设计中，钢结构的应用越来越广泛。钢结构设计是高层建筑整体结构设计中不可忽视的重要环节，关系到高层建筑整体的施工质量，因此需给予高度重视。本文着重阐述某高层建筑结构设计中钢结构的应用情况。 1 工程概况及结构选型 某高层建筑工程共43层，其中地上40层，地下3层，总建筑面积13万m2，建筑物总高度167m。抗震设防烈度为6度。 高层建筑钢结构的类型，按材料区分有全钢结构、钢-混凝土组合结构和钢-混凝土混合结构3种类型，根据工程条件和特点，结合建筑使用功能、荷载情况、材料供应等因素，本工程采用了钢-混凝土组合结构，其结构型式如下：地下3层至地上3层均采用框架-筒体结构，第4层为梁式转换层，层高3.5m，梁截面尺寸最大为1200mm×3500mm，板厚190mm，5层以上采用剪力墙-核芯筒结构。基础方案为预应力管桩，采用型钢混凝土柱，±0.000楼面采用钢筋混凝土楼板及型钢混凝土梁。 2 钢结构的设计 根据结构受力情况，型钢混凝土梁柱中的型钢均采用Q345B级钢材。高强度螺栓采用10.9级扭剪型高强螺栓，表面喷砂处理，摩擦面抗滑移动系数取0.45。 采用实腹式┼字形为型钢混凝土柱中型钢的截面形式，型钢混凝土柱中的型钢含钢率控制在5%左右，而型钢混凝土梁中的型钢则采用H型钢，采用中国建筑科学研究院编制的PKPM系列程序中多、高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE进行整体计算，并根据计算结果合理调整梁柱截面钢筋及钢骨大小。本工程若采用钢筋混凝土柱，则底层柱的截面需要1600mm×1600mm，而采用钢骨混凝土柱，底层柱的截面仅需要1100mm×1100mm。 钢板的厚度均不小于6mm，一般为翼缘厚度≥20mm，腹板厚度≥16mm；由于在轧制过程中，较厚的钢板存在各向异性，常在焊缝附近形成约束，焊接时易引致层状撕裂，很难保证焊接质量，因此当钢板厚度大于36mm时，必须按《厚 钢结构设计的稳定性原则与设计要点 作者：马云龙 来源：《科学与财富》2020年第26期 摘要：钢结构作为建筑设计中一种主要的建造形式，目前，在大型厂房、桥梁、高层建筑物设计中被广泛应用。钢结构所采用的建筑钢材具有防变形、耐腐蚀、抗震以及符合环保要求等众多优点，因此能够在建筑设计领域得到广泛的应用。建筑工程采用钢结构时，其结构稳定性作为一个至关重要的指标，直接决定了建筑物的质量和使用寿命。本文结合笔者多年的建筑设计经验对建筑工程钢结构的稳定性展开讨论，已对相应问题提供参考。 关键词：建筑;钢结构;稳定性 0.;;; 前言 在建筑工程技术漫长的发展历程中，钢结构占据重要地位，目前，作为一种主流的建筑结构形式，被广泛应用于各类建筑设计中，尤其是在厂房、桥梁、机场、剧院、超高层等大型建筑结构中。在上世纪，由于钢材冶炼技术并不发达，建筑用钢材含碳量较高，其韧性和耐腐蚀性等缺点使得钢结构在建筑设计领域并不受重视，一度被边缘化，几乎淘汰。近年来，随着金属冶炼科技的不断进步，高强度、高韧性、耐腐蚀的建筑用钢材被广泛生产，钢结构又重新受到建筑设计师的青睐，被越来越多地使用在各种工程建造中，在减轻建筑物总体结构重量，提高建筑物整体安全性方面起到了积极作用。[1]随着建筑技术的不断发展，钢结构的使用也越来越广泛，各种复杂的使用条件对其稳定性提出了严峻的考验，本文将详细分析钢结构稳定性的设计在建筑工程使用的要点和原则，并总结相关经验教训。 1.;;; 钢结构的概念 钢结构顾名思义就是以钢材作为结构搭建的主要原材料，通过钢梁、钢板、钢柱等不同的钢制组件，采用焊接、铆接等连接手段进行拼接组装，进行大型建筑物搭建的建筑结构类型。钢结构以各类钢材作为主要材料，与普通混凝土等建筑材料不同，钢材具有重量轻，韧性强等特点，能够承受更大的力，因此在大中型建筑物设计中经常采用钢结构设计。钢结构构造稳定，不易变形，能够为建筑物提供良好的安全稳定性。但是，在某些特殊情况下也有可能出现钢结构失稳的情况，常见的有以下两种情况：一种是过大的压力直接作用在受力平衡点上，造成结构整体受力不均导致失稳。[2]另一种是钢结构构件由于长期使用，导致内部结构发生金属疲劳等问题，内部结构失去支撑作用，导致整体结构失稳。在进行钢结构设计之前，有必要明确这种结构的稳定性特点，才能在设计过程中有的放矢，避免结构弱点，发挥钢结构的优势，使得建筑物中的钢结构发挥更好的作用。 2.;;; 钢结构提高设计稳定性的原则 建筑工程中钢结构稳定设计的重要性 建筑工程中钢结构稳定设计的重要性 摘要：下文主要依据笔者从事设计工作的多年工作实践经验，针对钢结构设计中容易出现的稳定的问题进行了阐述，仅供同行参考。 关键词：概念；设计原则； 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 改革开放以来，我国的现代城市化建设在快速的发展，钢结构设计在城市建设中也越来越重要。现如今，钢结构中的失稳事故大都是由于对结构及构件的稳定性能出现问题造成的，稳定性是钢结构计算中的一个重要环节。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对结构稳定缺少明确概念，造成一般性结构设计中不应有的薄弱环节。本文针对这些问题提出了在设计中应该明确在钢结构稳定设计中的一些基本概念。只有这样我们在设计中才能更好处理钢结构稳定问题。 1 钢结构稳定设计的基本概念 1.1 钢结构的强度与稳定 强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆性材料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。 稳定问题则与强度问题不同，它主要是指外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态，因此，它是一个变形问题。轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。 1.2 钢结构的失稳 1.2.1 受弯构件中梁在最大刚度平面内受弯的梁远在钢材到达屈服强度前就可能因出现水平位移而扭曲破坏，梁的这种破坏被称之 为整体失稳。 1.2.2 受弯构件中组合梁大多是选用高而薄的腹板来增大截面 的惯性矩与底抗矩，同时也多选用宽而薄的翼缘来提高梁的稳定性，如钢板过薄，梁腹板的高厚比或是翼缘的宽厚比大到一定的程度时，腹板或受压翼缘在没有达到强度限值就发生波浪形的屈曲，使梁失去了局部稳定。它是使钢结构早期破坏的因素。 1.2.3 受力构件中，截面塑性发展到一定程度构件突然而被压坏，压弯构件失去稳定。而压弯构件的计算则要同时考虑平面内的稳定性与平面外的稳定性。结构失稳的问题十分重要，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。 2 钢结构设计的原则 为更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定出了以下原则。 2.1 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,结构大多数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。 2.2 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。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。 2.3 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，要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度。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，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 浅谈高层建筑钢结构设计与混凝土结构设计 浅谈高层建筑钢结构设计与混凝土结构设计 摘要：随着经济的不断发展以及城市化水平的不断提高，土地利用也是越来越频繁，随着土地资源的匮乏，高层建筑以其较高的土地利用率的特点受到广泛的关注和发展。而在高层建筑中钢结构与混凝土结构属于比较常见的结构类型，对于高层建筑的构架有着重要影响。本文主要就高层建筑中钢结构设计与混凝土结构设计进行了分析研究。 关键词：高层建筑钢结构混凝土结构设计 中图分类号： TU208 文献标识码： A 引言 随着建筑水平的提升，建筑工程逐渐朝向高层且复杂的结构发展，这对于建筑材料的选择也有了更高的要求标准。目前，在高层建筑中比较常见的两种结构方式即就是钢结构和混凝土结构。钢结构与混凝土结构在高层建筑中的应用，在很大程度上促进了高层建筑的发展和进步。随着，钢结构设计与混凝土结构设计的广泛应用，它们各自的优势在高层建筑中都有着很好的体现。所以，在高层建筑施工中，要注重钢结构设计与混凝土设计的要点，切实提高其对于高层建筑结构的重要性，促进高层建筑更进一步的发展和进步。 高层建筑钢结构设计 高层钢结构的优缺点 1.1钢结构重量轻、抗震性能好：钢结构是以工厂化生产的钢梁、钢柱为骨架，同时配以轻质墙板建造而成。它与同面积的建筑楼层相比重量可减轻近30%。同时，由于钢材具有较强的延展性，能较好地消除地震波力，防震性能好，尤其适用于高层建筑。 1.2钢结构建筑占地面积小、空间灵活：开放的空间比有承重墙占据的空间更有价值。钢结构房屋的空间灵活性及自由发挥度要比混凝土房屋要强很多。并且钢结构在建筑所需要占用的面积较小，从而实现建筑空间的高效利用，这种建筑施工效果是钢筋混凝土等材料无 钢结构的稳定可分为结构整体的稳定和构件本身的稳定两种情况。 结构整体的稳定，在结构的纵向，主要依靠结构的支撑系统来保证，如钢柱的柱间支撑，钢屋架的上、下弦水平支撑和垂直支撑等。计算时主要考虑支撑系统能可靠地传递结构纵向的水平荷载（风荷载、地震荷载、厂房吊车荷载等）。在结构的横向，主要依靠结构自身（框架或排架）的刚度来保证，计算时主要要考虑结构自身能可靠地传递结构横向的水平荷载。 构件本身的稳定主要由构件组成部份的自身刚度来保证。计算时要保证构件本身及其组成部份（杆件或板件）在荷载作用下不发生屈曲而丧失稳定（这种情况主要发生在受压或压弯构件上）。在实际计算中，一般是用稳定系数来限制钢材的设计强度。使构件中的最大应力不大于钢材的设计强度乘以稳定系数后的值。这样的公式在钢结构的受压和受弯的计算公式中均可见到。 稳定系数是个主要与构件的长细比（杆件）或高厚比（板件）有关的系数，控制了长细 比和高厚比也就等于控制了构件的稳定。 所以说，构件本身的稳定因素主要是构件的计算长度和截面特性，包括平面内和平面外的两个方向。当然，还应该包括材料的强度和应力的大小。 对钢管的强度和稳定性（整体稳定性）都有影响，当钢管受拉时，其破坏是强度破坏，它能承受的轴向拉力设计值为：N=A*f，其中：A是钢管的截面面积，f是钢材的强度设计值，由于钢管壁厚的减小，必然导致钢管截面面积的减小，从而导致钢管承受的轴向拉力值的减小。当钢管受压时，其破坏是稳定性破坏，它能承受的压力设计值为：N=φ*f*A，其中：φ是钢管的整体稳定系数，可以根据它的长细比由钢结构设计规范的附表查到，长细比的计算公式是：λ=l/i，l 是它的计算长度，i是截面的回转半径，由于钢管壁厚的减小，必然导致i的减小，因为i=sqrt（I/A），这里的I是钢管的截面惯性矩，A为截面面积，所以由于壁厚的减小，导致了长细比的增大，从而导致了稳定系数φ的减小，最终导致了稳定承载力设计值的 4-1解： kN N N N QK Q GK G 4203153 24.1315312.1=??+??=+=γγ 焊缝质量为三级，用引弧板施焊。查表得E43焊条的2/185mm N f W t =，Q235钢的2/215mm N f =。 mm bf N t W t 35.11185 200104203 =??=≥ 故取mm t 12=。 4-2解： k k k Q K Q G K G N N N N N N 36.18.04.12.02.1=?+?=+=γγ 焊缝质量为二级，2/215mm N f W t =未用引弧板施焊 mm l W 376122400=?-= t l N f W W t =，k W W t N t l f N 36.1== kN t l f N W W t k 3.71336 .11237621536.1=??== 4-4解： 1）焊脚尺寸f h 背部尺寸?????=?=≤=?=≥mm t h mm t h f f 6.982.12.174.4105.15.1min 1max 1 趾部尺寸()()?????=-=-≤=?=≥mm t h mm t h f f 7~62~182~174.4105.15.1min 2max 2 为方便备料，取mm h h h f f f 621===，满足上述要求。 2）轴心力N 的设计值 kN N N N Q K Q G K G 4.2481809.04.11801.02.1=??+??=+=γγ 按角钢背与趾部侧面角焊缝内力分配系数可知:等边角钢内力分配系数 3.01=b e 7.02=b e 对角钢趾部取力矩平衡得: 21Ne b N = kN N N b e N 52.744.2483.03.021=?=== kN N N N N 88.1734.2487.07.012=?==-= 3)焊缝长度。 当构件截面为一只角钢时，考虑角钢与节点板单面连接所引起的偏心影响， W t f 应乘以折减系数0-85。 角钢趾：mm h mm f h N l f W f f W 488130160 85.067.01052.7485.07.0311=>=????=?≥ 取mm l 1401= （mm h f 1422130=+，取10mm 的整数倍） 角钢背：mm h mm f h N l f W f f W 36060304160 85.067.01088.17385.07.0322=<=????=?≥ 取mm l 3202= （mm h f 3162304=+，取10mm 的整数）浅谈建筑钢结构设计现状及存在的问题 王爽
钢结构稳定设计指南
钢结构理论与设计随堂练习答案汇总概论
对建筑钢结构设计及安装的探讨
钢结构设计原理(答案)
浅谈建筑工程钢结构设计稳定性原则和设计要点
2017,钢结构理论与设计120题
STAAD的稳定设计
建筑钢结构的稳定性设计综述
钢结构设计原理复习题及参考答案[1]
浅谈钢结构在某高层建筑结构设计中的实际应用
钢结构设计的稳定性原则与设计要点
建筑工程中钢结构稳定设计的重要性
浅谈高层建筑钢结构设计与混凝土结构设计
钢结构的稳定性
钢结构原理与设计第2版__课后答案
相关主题
文本预览