建筑钢结构稳定性设计方法探析.pdf
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1、9现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 3 期2024 年 2 月Vol.3 No.3Feb.2024建筑钢结构稳定性设计方法探析张玘璐1,程 镔21.辽宁省石油化工规划设计院有限公司,辽宁沈阳 110000;2.湖北兴建盛建设工程质量检测有限公司,湖北武汉 430223摘 要:探讨了稳定性设计在建筑和结构工程中的关键作用。首先,详细介绍了稳定性设计的基本概念和背景,分析了稳定性问题的影响因素;其次,针对线性和非线性稳定性分析,运用数值模拟技术,引入非线性材料本构关系,建立了结构的稳定性模型。通过离散化结构和线性化处理,成功将平衡方程转化
2、为特征值问题,并通过求解特征值问题得到了结构的临界荷载;再次,通过具体的数值分析示例,验证了非线性稳定性分析方法的准确性和可行性;最后,总结了本研究的主要发现,强调了稳定性设计在工程实践中的重要性,为今后的结构设计和优化提供了新的思路和方法。关键词:建筑钢结构;稳定性;设计方法中图分类号:TU391 文献标识码:AAnalysis of Stability Design Methods for Building Steel StructuresZhang Qilu1,Cheng Bin21.Liaoning Province Petroleum-chemical Industry Planni
3、ng&Designing Institute Co.,Ltd.,Shenyang,Liaoning 110000;2.Hubei Xingjiansheng Construction Engineering Quality Testing Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430223Abstract:Intended to explore the key role of stability design in building and structural engineering.Firstly,the basic concepts and background of stabili
4、ty design were introduced in detail,and the influencing factors of stability issues were analyzed.Secondly,for linear and nonlinear stability analysis,numerical simulation techniques were used to introduce nonlinear material constitutive relationships and establish a stability model for the structur
5、e.By discretizing the structure and linearizing it,the equilibrium equation was successfully transformed into an eigenvalue problem,and the critical load of the structure was obtained by solving the eigenvalue problem.Once again,the accuracy and feasibility of the nonlinear stability analysis method
6、 were verified through specific numerical analysis examples.Finally,the main findings of this study were summarized,emphasizing the importance of stability design in engineering practice,providing new ideas and methods for future structural design and optimization.Keywords:building steel structures;
7、stability;design methods作者简介:张玘璐(1988),男,硕士,辽宁省石油化工规划设计院有限公司工程师,研究方向为钢结构稳定性。随着现代建筑工程技术的不断发展,钢结构作为一种轻质、高强度、可塑性好的结构形式,在各类建筑中得到广泛应用。然而,在利用其轻负荷、高强度特性的同时,建筑钢结构也常常面临着严峻的稳定性挑战。传统的结构设计方法常常基于静力学原理,忽略了结构在实际荷载作用下的变形和变形引起的内力重分布。随着工程结构日益复杂和设计荷载不断增大,这种传统的设计方法已经不能满足实际需要。在这种背景下,结构稳定性分析方法的研究和发展就变得尤为重要。相关人员需要提高对这方面的重
8、视程度,做好建筑钢结构稳定性分析,通过对线性稳定性和非线性稳定性以及数值模拟在稳定性分析中的应用,保障钢结构稳定性。1 结构稳定性定义与影响因素1.1 结构稳定性定义在建筑工程中,结构稳定性是指结构在受到外部荷载作用下,保持不发生屈曲、屈服、蠕变等失稳现象的能力。换言之,稳定性是结构在承受荷载时维持其形状和稳定的能力,是结构安全性的重要保障。结构稳定性不仅仅包括整体结构的稳定性,还包括结构构件(如柱、梁、框架等)的稳定性。当结构失去稳定性时,可能会发生屈曲、屈服等现象,导致结构的崩溃和损坏,从而危及人们的生命和财产安全1。1.2 影响结构稳定性的因素结构稳定性作为工程力学的核心概念之一,受到1
9、02024 年 2 月第 3 卷第 3 期现 代 工 程 科 技10多种内外因素的综合影响。结构的几何形状对其稳定性具有显著影响。不规则形状和尺寸不当的截面可能引发局部应力集中,从而影响结构的整体稳定性。另外,材料特性的异质性和各向异性也是影响结构稳定性的重要因素。不同材料的强度、刚度和稳定性参数存在差异,因此,在结构设计中,必须充分考虑材料的特性以确保结构的整体稳定性。同时,外部荷载的大小和方向对结构稳定性产生直接影响。例如,在受到偏心荷载或者风荷载时,结构可能因为失去平衡而发生屈曲,进而导致稳定性失效。此外,支撑和约束条件的不合理设计也可能导致结构失稳。施工过程中,支撑系统和约束条件的选择
10、至关重要,不当的选择可能导致结构的失稳问题2。最后,温度和湿度的变化也对结构的稳定性构成威胁。随着温度升高,结构材料可能发生膨胀,而在低温下则可能发生收缩。湿度的变化则可能引起结构材料的腐蚀和疲劳。这些因素的变化可能导致结构构件的尺寸和形状发生变化,从而影响结构的稳定性。2 常见稳定性失效模式2.1 屈曲失效在结构工程中,屈曲失效是一种常见的稳定性失效模式。屈曲失效是指在荷载作用下,结构构件由于弹性变形达到一定程度,而进入非弹性屈曲状态的过程。这种失效模式的特点是在屈曲前,结构构件会经历弹性阶段,但当荷载继续增大时,结构将无法承受更大的荷载,其形状将发生不可逆的变形,直至崩溃。在屈曲失效时,结
11、构构件可能会出现扭曲、屈曲变形或整体结构垮塌等现象。屈曲失效的发生通常受到结构几何形状、截面尺寸、材料性质以及外部荷载大小和作用方式等多种因素的影响。例如,在薄弱轴向构件(如柱、墙等)的设计中,截面的几何形状和尺寸对其屈曲稳定性具有关键性影响。同时,材料的屈服强度和模量等力学性质也会显著影响结构的屈曲失效。为了预防屈曲失效,工程实践中常采取一系列措施,例如增加构件的截面尺寸、采用高强度材料、设置加强筋等。此外,结构在设计中应当符合相应的屈曲稳定性设计规范,确保结构在承受荷载时不会发生屈曲失效,以提高结构的稳定性和安全性3。2.2 屈服失效屈服失效是一种常见的稳定性失效模式,主要发生在受拉或受弯
12、构件中。当结构构件承受外部荷载,达到或超过其材料的屈服极限时,材料将发生持续的塑性变形,失去弹性恢复能力,导致结构无法继续承受增大的荷载而产生失效。这种失效模式的特点是,结构在屈服前经历弹性阶段,一旦荷载达到屈服强度,结构将无法继续保持原有形状,出现塑性变形并失去稳定性。屈服失效的发生通常受到材料的力学性质、构件截面形状、外部荷载作用方式以及支撑和约束条件等多种因素的综合影响。例如,在梁受弯构件中,横截面形状和尺寸会影响受弯构件的屈服性能。材料的屈服强度和延展性是决定屈服失效的关键因素,不同材料在受拉或受弯时表现出不同的屈服行为。在建筑钢结构设计中,为了预防屈服失效,设计单位应选择合理的材料,
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