鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論哈工大

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論學(xué)時：24學(xué)分：1.5考核方法：筆試或大作業(yè)主講教師：張文元副教授哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院CollegeofCivilEngineering,HIT1、陳驥，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計，科學(xué)出版社，2001.（或2004第二版）2、陳紹蕃，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計指南，中國建筑工業(yè)出版社，2004.3、呂烈武、沈世釗、沈祖炎、胡學(xué)仁，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定理論，中國建筑工業(yè)出版社，1983.4、鐘善桐，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計，中國建筑工業(yè)出版社，1991.主要參考書：1、材料力學(xué)2、結(jié)構(gòu)力學(xué)（靜力、動力、穩(wěn)定）3、鋼結(jié)構(gòu)/鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理基礎(chǔ)知識：1、緒論2、軸心軸壓構(gòu)件的彎曲屈曲3、求解穩(wěn)定問題的近似方法4、壓彎構(gòu)件的彎曲屈曲5、剛架的穩(wěn)定6、薄壁桿件的彎扭屈曲7、板件的穩(wěn)定主要內(nèi)容：前5章以課堂講授為主，后2章以學(xué)生課后自學(xué)為主第一章緒論§1-1鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的重要性1）鋼材的特點決定了穩(wěn)定問題更加突出輕質(zhì)、高強(qiáng)、力學(xué)性能好；與砼比，尺寸輪廓小，構(gòu)件細(xì)長，板件薄柔；易發(fā)生整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)；失穩(wěn)時經(jīng)常具有突然性的幾何形狀的改變。豎向位移跨中水平位移軸向荷載軸向荷載2）鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的例子1907年，加拿大跨越魁北克(Quebec)河三跨伸臂橋工程概況：兩邊跨各長152.4m，中間跨長548.6m(包括由兩個邊跨各懸挑出的171.4m)。破壞原因：格構(gòu)式下弦壓桿的角鋼綴條過于柔弱、失穩(wěn)，其總面積只占弦桿截面面積的1％。直接損失：架橋工程中9000t鋼橋墜入河中，75員工遇難。1916年因施工問題又發(fā)生一次倒塌事故。前蘇聯(lián)在1951～1977年間共發(fā)生59起重大鋼結(jié)構(gòu)事故，有17起屬穩(wěn)定問題。（設(shè)計、制作、安裝或使用不當(dāng)都可能引發(fā)穩(wěn)定事故）例如：1957年前蘇聯(lián)古比雪夫列寧冶金廠鍛壓車間，7榀1200m2屋蓋塌落。起因是一對尺寸相同的拉壓桿裝配顛倒。1974年，蘇聯(lián)一個俱樂部觀眾廳24×39m鋼屋蓋倒塌。起因是受力較大的鋼屋架端斜桿失穩(wěn)。1990年2月，遼寧省某重型機(jī)械廠新增一會議室。破壞原因：只有14.4m跨的輕鋼梭形屋架腹桿平面外出現(xiàn)半波屈曲，致使屋蓋迅速塌落。誤用重型屋蓋結(jié)構(gòu)。且錯用了計算長度系數(shù)，λy>300。事故后果：305人開會期間倒塌，造成42人死亡、179人受傷。美國Connecticut州Hartford城一體育館網(wǎng)架，1978年1月大雨雪后倒塌。工程概況：91.4m×109.7m網(wǎng)架，四個等邊角鋼組成的十字形截面桿件。破壞原因：只考慮了壓桿的彎曲屈曲，沒有考慮彎扭屈曲。我國新修訂的2004年鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中已考慮了彎扭屈曲的相關(guān)設(shè)計理論。大跨度波紋拱屋蓋我國東北、內(nèi)蒙古、新疆曾有大量使用，用于倉庫、臨時罩棚等設(shè)施。但有些結(jié)構(gòu)在大雪后倒塌。破壞原因：波紋拱的畸變屈曲沒有給予很好的考慮。破壞后寧波某輕鋼門式剛架施工階段倒塌。破壞原因：施工順序不當(dāng)、未設(shè)置必要的支撐等。我國其它一些地方的門式剛架也發(fā)生過倒塌事故，從設(shè)計、制作、到安裝階段都有可能出現(xiàn)問題。1）按平衡狀態(tài)分§1-2穩(wěn)定問題分類理想軸壓或壓彎構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定(perfect)又稱：分岔失穩(wěn)或第一類穩(wěn)定問題(bifurcationinstability)定義：由原來的平衡狀態(tài)變?yōu)橐环N新的微彎（或微扭）平衡狀態(tài)。相應(yīng)的荷載NE——屈曲荷載、臨界荷載、平衡分岔荷載此類穩(wěn)定又可分為兩類：穩(wěn)定分岔失穩(wěn)不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)臨界荷載臨界荷載臨界荷載非理臟想軸壓或趨壓彎構(gòu)痕件或結(jié)唇構(gòu)的穩(wěn)易定(i軋mp法er啟fe脹ct城)又稱：極值堡點失穩(wěn)報或第二偵類穩(wěn)定秩問題(li跑mit量-lo飲ad-諷ins柄tab奴ili松ty)定義：平衡閥狀態(tài)漸話變，不季發(fā)生分佳岔現(xiàn)象鄉(xiāng)豐。相應(yīng)的饒荷載Nmax——失穩(wěn)繞極限可荷載挽或壓鵝潰荷行載。大部牛分的剩實際葬工程事結(jié)構(gòu)猾都存懷在一撇定的地初始影幾何不缺陷膊，其沸失穩(wěn)危形式絨都屬負(fù)于第千二類仇穩(wěn)定禁問題移。初始較幾何當(dāng)缺陷δ越大，紙彈塑性搶臨界承刷載力越炕低臨界荷載臨界荷載躍越穩(wěn)成定(s切na孝p忙th拍ro惱ug像h默in合st勿ab僵il扎it續(xù)y)平衡→濤失穩(wěn)（鳴失去承刺載力）睜→新的掛平衡2）按掀失穩(wěn)控現(xiàn)象愧分構(gòu)件失詳穩(wěn)部分懸結(jié)構(gòu)蘆或整擊體結(jié)豬構(gòu)失揀穩(wěn)（旬體系帳失穩(wěn)丟）板件鞏失穩(wěn)責(zé)（屈舊曲后拆強(qiáng)度pos攻tb稱uck胞lin邁g的利球用）筒殼的冒失穩(wěn)（秒缺陷敏擁感性失頓穩(wěn)）1）強(qiáng)度要與穩(wěn)定慰的區(qū)別§1藥-3穩(wěn)定競的基病本概腦念結(jié)構(gòu)失篇穩(wěn)是指在攻外力作趙用下，瓦結(jié)構(gòu)的穗平衡狀庫態(tài)開始橡喪失穩(wěn)狼定性，貸稍有擾飼動，則琴變形迅端速增加徑，使結(jié)揀構(gòu)破壞姑。即在懶穩(wěn)定問謊題中，子力與位貸移不是蒸成比例祝的線性顯關(guān)系。研究的位置分析方法疊加原理解的特點強(qiáng)度問題只涉及某一截面上的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)一階彈性分析能夠使用疊加原理解具有單值性穩(wěn)定問題與整個構(gòu)件的所有截面均有關(guān)系要考慮構(gòu)件已變形狀態(tài)下的平衡關(guān)系，屬于二階分析幾何非線性問題，疊加原理不再適用可能有多個平衡位置(特征值)解具有多值性。一般要尋求最小臨界力2）判別隸穩(wěn)定性好的基本從原則對處于百平衡狀樓態(tài)的體瞇系施加互一個微小松干擾，當(dāng)裹干擾粘撤去模后，轉(zhuǎn)如體掀系恢虎復(fù)到稱原來景的位陵置，繪該平折衡是久穩(wěn)定絞平衡肉，否涉則是潤不穩(wěn)前定的飼。穩(wěn)定緣瑞平衡斃不汁穩(wěn)定坡平衡肆隨遇耍平衡St直ab朱il杏it特y氣eq唯ui煩li廢br靠iu糠m叨I子ns鑼ta久bi究li苦ty著e醫(yī)qu鎖il兄ib詠ri描um強(qiáng)N盒eu貞tr訂al護(hù)e匆qu廚il攔ib越ri豆um1）靜力學(xué)準(zhǔn)則和辣靜力法蝦（平衡叛法）§1-宇4彈性穩(wěn)裕定問題篇的基本央判別準(zhǔn)襪則和分探析方法設(shè)所研究的拌彈性體異系在外荒力作用袍下的某益一平衡震位置的逆無限接短近的相便鄰位置插也是平儉衡的，鑄則所探扶討的平哥衡位置描是隨遇艙的；在此平倡衡位置驅(qū)建立平濤衡方程海，求得趙臨界荷淘載；找到撕所有能臨界版狀態(tài)掃，其頁臨界枯荷載鑼最低壘的狀匆態(tài)為啞真正畢的失踏穩(wěn)狀折態(tài)；這種方酒法只能繭得到臨腦界荷載傷，不能質(zhì)判別穩(wěn)雖定性類患別。例：求如解圖示剛性繩桿體系的血臨界力設(shè)在臨界狀碌態(tài)時，線有一微庫小轉(zhuǎn)角θ，所代霜表的怒位置疏平衡伍的。彈性肆鉸的替轉(zhuǎn)動紐奉剛度勵為r。則列糟出平懇衡方晚程：2）能量話準(zhǔn)則和慚能量法當(dāng)一保蠶守系統(tǒng)恥處于平禍衡狀態(tài)裙時，其看總勢能皮的一階變分為零遷，即寬總勢是能Π應(yīng)為泛駐值勞。即高：當(dāng)只有一個變量時：可以騾判斷玩平衡頌狀態(tài)市，方剪法為溜：為穩(wěn)定的膨平衡狀顛態(tài)，此棟時總勢順能最小為不穩(wěn)毀定的平粒衡狀態(tài)為隨截遇平桐衡狀冊態(tài)例：同普上在臨界塵狀態(tài)時兩的總勢償能為：荷載勢能減小彈性勢能增加所以屬于隨遇平衡3）運動臨準(zhǔn)則和渾運動法設(shè)體系叔繞所討讓論的平度衡位置唯作微小掙自由振里動，寫傅出振動層方程，餃求出振州動頻率軍。此頻嘩率與體皮系上的伯荷載大急小有關(guān)模，當(dāng)荷載飛增大時錘，頻率篩會減小叼；當(dāng)荷梨載超過培臨界荷砍載時，性振動頻階率趨于凳零，即變吧形不能寺恢復(fù)，里失去穩(wěn)插定。屬于揪結(jié)構(gòu)意動力盯穩(wěn)定敞問題乖。例：同上設(shè)桿件總質(zhì)量為m，沿桿長均布，則沿桿長z處的位移、速度和加速度分別為：PPzdzlrθθadmvaPPzdzlrθθadmva則體系茄的振動慨方程為只：方程解為：ω為體季系的笨振動授頻率挪。臨界狀態(tài)時，ω＝0，有r=Pl，則1）鋼慚的材螞性§1-欄5鋼材性洗與殘余剃應(yīng)力我國結(jié)構(gòu)用鋼的分類碳素結(jié)構(gòu)鋼(Q235)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(Q345,Q390,Q420等)結(jié)構(gòu)鋼蝕材單向擴(kuò)拉伸的尺四個階沒段Ⅰ彈性階務(wù)段；Ⅱ彈塑狡性階砍段；Ⅲ塑性事階段問；Ⅳ強(qiáng)化階階段Q23漁5鋼單向蔽拉伸試邁驗的應(yīng)雨力－應(yīng)閥變曲線oA’為彈親性階臨段，音比例歇極限fp約為19波0M菊Pa，此時εp約為0.于1％，彈津性模量E＝2.盜06頌×1鑄05MP經(jīng)a。A’B酒’為彈塑性畝階段，學(xué)應(yīng)力應(yīng)崗變?yōu)榉撬€性，圾屈服強(qiáng)欲度fy＝23排5M蕩Pa，此時εy約為0.1鏡5％。B’態(tài)B為塑性京平臺階閥段，應(yīng)裙力基本吉保持為俊屈服強(qiáng)困度fy，此時ε＝0.匙15％～2.準(zhǔn)5％。BC為強(qiáng)化欺階段，章非線性鄙，抗拉戰(zhàn)強(qiáng)度fu＝375～400設(shè)MPa，拉斷白時伸揉長率箏可達(dá)20～26％，份模量Est＝0.0園2～0.0上3E。應(yīng)力燥－應(yīng)幅變曲貼線的克簡化喚模型A’B’階段的應(yīng)力、應(yīng)變變化不大，對彈塑性穩(wěn)定極限荷載的影響不大，常簡化為直線，屈服強(qiáng)度fy＝235MPa對應(yīng)的屈曲應(yīng)變εy為0.114％。達(dá)到屈服強(qiáng)度之后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有上述三種簡化模型，其中2）鋼肥構(gòu)件澇截面葬殘余墨應(yīng)力定的分劫布18號普通工字鋼焊接H型鋼輕型熱軋H型鋼殘余應(yīng)抖力產(chǎn)生叼的原因昂：焊接躲、熱軋豎、冷軋所、切割濤等殘余應(yīng)聲力的存久在將影屆響構(gòu)件襖的穩(wěn)定曉承載力戰(zhàn)，不可皆忽視具