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《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中提高整體穩(wěn)定性之策略》
所屬分類： 公司新聞
發(fā)布時間：2024-09-10
在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計領(lǐng)域，整體穩(wěn)定性是確保結(jié)構(gòu)安全、可靠且高效服役的關(guān)鍵要素。而要想提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的整體穩(wěn)定性，首先需要明晰其影響因素。
整體穩(wěn)定性的影響因素
• 荷載類型與分布
• 不同類型的荷載對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響各異。恒載是始終存在的，其分布的均勻性對結(jié)構(gòu)的初始穩(wěn)定狀態(tài)至關(guān)重要。例如在大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋面設(shè)計中，如果恒載分布不均勻，可能導(dǎo)致局部區(qū)域受壓過大，增加失穩(wěn)風(fēng)險?；钶d的大小和作用位置具有隨機(jī)性，如人群集中在某一區(qū)域或設(shè)備移動等，可能瞬間改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。而風(fēng)荷載和地震作用等水平荷載，是導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)的關(guān)鍵因素之一，尤其是在高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)中，這些水平荷載產(chǎn)生的側(cè)向力容易使結(jié)構(gòu)發(fā)生整體傾斜或扭曲失穩(wěn)。
• 構(gòu)件幾何特性
• 構(gòu)件的幾何形狀和尺寸直接影響其穩(wěn)定性。長細(xì)比是衡量受壓構(gòu)件穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，長細(xì)比越大，構(gòu)件越容易發(fā)生失穩(wěn)。例如對于細(xì)長的鋼柱，在相同的壓力作用下，相比短粗的鋼柱更容易發(fā)生彎曲失穩(wěn)。另外，構(gòu)件截面的形狀也很關(guān)鍵，如工字形截面、箱形截面等不同形狀在承受壓力和彎矩時的穩(wěn)定性表現(xiàn)不同，箱形截面由于其在兩個方向上的慣性矩較大，相對而言穩(wěn)定性更好。
• 材料性能
• 鋼材的強(qiáng)度、彈性模量等材料性能對鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性影響深遠(yuǎn)。高強(qiáng)度鋼材雖然能承受更大的應(yīng)力，但在某些情況下，如果設(shè)計不合理，可能導(dǎo)致構(gòu)件過早進(jìn)入塑性狀態(tài)，影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。彈性模量反映了鋼材抵抗變形的能力，彈性模量較小的鋼材在相同荷載下變形較大，可能使結(jié)構(gòu)提前達(dá)到失穩(wěn)臨界狀態(tài)。
基于影響因素的提高整體穩(wěn)定性之策略
從結(jié)構(gòu)體系規(guī)劃入手
• 確保平面布局規(guī)則性
• 在設(shè)計的初始階段，應(yīng)盡量使鋼結(jié)構(gòu)建筑的平面形狀簡潔、規(guī)整。簡單幾何形狀的平面布局，如矩形、方形等，能讓結(jié)構(gòu)在承受水平荷載時受力均勻。不規(guī)則的平面，如過于復(fù)雜的凹凸形狀或扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的平面，會導(dǎo)致水平荷載作用下產(chǎn)生復(fù)雜的扭矩，不利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。例如，避免設(shè)計類似“L”形、“Z”形等容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和扭矩的平面布局，而是以規(guī)整的方形或矩形平面為基礎(chǔ)，這樣能使結(jié)構(gòu)在各個方向上的受力分布更加合理，從而為整體穩(wěn)定性奠定良好的基礎(chǔ)。
• 保證豎向布置連續(xù)性
• 豎向設(shè)計中，要保持結(jié)構(gòu)剛度的均勻變化，杜絕剛度突變。這就如同構(gòu)建一個穩(wěn)固的豎向骨架，柱子的截面尺寸、材料強(qiáng)度等參數(shù)在豎向應(yīng)遵循漸變原則。如果某一層柱子突然變細(xì)或變強(qiáng)，會導(dǎo)致豎向荷載傳遞不順暢，影響整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。比如在設(shè)計多層或高層鋼結(jié)構(gòu)建筑時，從底層到頂層，柱子的截面可以按照一定的規(guī)律逐漸減小，但要確保這種變化是連續(xù)且合理的，避免在某一層出現(xiàn)剛度的急劇變化，使結(jié)構(gòu)在豎向的荷載傳遞和抵抗變形的能力更加穩(wěn)定。
• 采用高效的結(jié)構(gòu)體系
• 框架 - 支撐體系
• 在框架結(jié)構(gòu)中巧妙布置支撐構(gòu)件是提高穩(wěn)定性的有效途徑。中心支撐可以像骨骼的交叉韌帶一樣有效抵抗水平力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。例如在高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中，每隔數(shù)層在框架間設(shè)置交叉支撐，能顯著提升結(jié)構(gòu)抵御水平荷載的能力。而偏心支撐除了提供側(cè)向剛度外，還能增加結(jié)構(gòu)的延性，使結(jié)構(gòu)在承受較大變形時仍能保持一定的承載能力，在地震多發(fā)地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有重要意義。
• 筒體結(jié)構(gòu)
• 利用核心筒或多個筒體來承擔(dān)水平和豎向荷載是提高鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的有力手段。筒體結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的抗側(cè)剛度和承載能力，就像建筑的堅固核心。例如在超高層建筑中，采用鋼筋混凝土核心筒與外鋼框架組成的混合結(jié)構(gòu)體系，核心筒能夠承擔(dān)大部分的水平荷載，使整個結(jié)構(gòu)在大風(fēng)或地震等水平力作用下保持穩(wěn)定。
聚焦于構(gòu)件設(shè)計層面
• 梁柱構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計
• 嚴(yán)格控制構(gòu)件長細(xì)比
• 對于受壓的柱和梁，長細(xì)比是影響其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。長細(xì)比越小，構(gòu)件的穩(wěn)定性越好。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，不同的鋼材材質(zhì)和構(gòu)件類型對應(yīng)著不同的長細(xì)比限值。例如對于普通碳素鋼結(jié)構(gòu)的軸心受壓柱，一般要將長細(xì)比控制在不超過 150 的范圍內(nèi)。在設(shè)計過程中，需要根據(jù)實際的荷載情況、結(jié)構(gòu)體系以及鋼材的性能，精確計算和合理確定構(gòu)件的長細(xì)比，確保受壓構(gòu)件在各種工況下都能保持穩(wěn)定。
• 合理選用高強(qiáng)度鋼材
• 在條件允許的下，優(yōu)先選用高強(qiáng)度鋼材作為梁柱構(gòu)件的材料。高強(qiáng)度鋼材具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，在相同的截面尺寸下，相比普通鋼材能夠承受更大的荷載，從而提高構(gòu)件的穩(wěn)定性。比如在大跨度鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，采用 Q460 或更高強(qiáng)度的鋼材制作鋼梁，不僅可以有效減小梁的截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重，而且能顯著提高梁的整體穩(wěn)定性，使橋梁在承受車輛荷載和環(huán)境荷載時更加安全可靠。
綜上所述，通過從結(jié)構(gòu)體系的科學(xué)規(guī)劃到構(gòu)件設(shè)計的精心考量等多方面入手，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中綜合運(yùn)用這些方法，可以有效提高鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，為鋼結(jié)構(gòu)建筑或構(gòu)筑物的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供堅實的保障。
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