[分享]钢结构之殇——失稳

发表于2020-10-10     378人浏览     3人跟帖     总热度:619  

建筑工程中钢结构的事故按破坏形式可分为:钢结构失稳,钢结构的脆性断裂,钢结构承载力和刚度失效,钢结构疲劳破坏和钢结构的腐蚀破坏等几种。他们其中有些是属于突然性的脆性破坏,有些属于可提前发现的延性破坏。

失稳破坏
       钢结构的失稳主要发生在轴压、压弯和受弯构件。它可分为两类.丧失局部稳定和丧失整体稳定性。钢结构一旦发生失稳破坏,破坏速度极快,来不及采取补救措施。后果较严重。
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钢结构的脆性断裂
钢结构脆性破坏发生时,应力通常都远小于钢材的屈服强度,破坏前没有显著变形,吸收能量很小,破坏突然发生,无事故征兆,断口平齐光亮。
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钢结构承载力和刚度失效
钢结构承载力失效指正常使用状态下结构构件或连接因材料强度被超越而导致破坏。主要原因通常有以下几种:(1)超载或者受荷方式改变,超过结构构件的设计应力强度。(2)连接构件发生破坏等
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钢结构疲劳破坏
钢结构疲劳破坏是指钢材或构件在反复交变荷载作用下在拉力远小于抗拉极限强度甚至屈服点的情况下发生的一种破坏。疲劳破坏经历了裂缝起始、扩展和断裂的漫长过程。
疲劳破坏断口一般有疲劳区和瞬断区,疲劳区记录了裂缝扩展和闭合的过程;瞬断区反应力了脆性断裂的特点。
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钢结构的腐蚀破坏
生锈腐蚀将会引起构件截面减小,承载力下降,因腐蚀产生的锈坑将使钢结构的脆性破坏的可能性增大。
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在各种钢结构发生破坏的种类中,钢结构失稳破坏是最常见的一种。例如上半年,泉州某处一酒店发生整体垮塌,垮塌原因是建筑物由原四层违法增加夹层改建成七层,达到极限承载能力并处于坍塌临界状态,加之事发前对底层支承钢柱违规加固焊接作业引发钢柱失稳破坏,导致建筑物整体坍塌。
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事故原因简而言之超载导致钢结构柱的稳定承载力出现了问题,造成房屋的整体垮塌。通常钢结构建筑不同混凝土结构建筑,当钢结构柱子发生失稳破坏时,通常的表现出来“破坏迅速”、“反应强烈”的特别,小编写这篇文章的主要目的是给建筑师以及初涉结构设计圈子或者初涉钢结构设计的新人普及一下钢结构稳定的概念,警惕钢结构房屋最容易发生的一种破坏形式——“失稳破坏”。普及一些最基本的钢结构失稳概念,特别是竖向构件的失稳。让大家在追求极致细长、苗条的构件的同时,心中能有一个安全底线。
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失稳指结构因微小干扰而失去原有平衡状态、并转移到另一新的平衡状态。这是上学时,老师教我的。失稳不同于强度破坏,举个例子就能让大家很容易的区分强度破坏和稳定破坏。大家拿个吸管立在桌上,用手压一下吸管,是不是吸管很容易就被压弯了,此时吸管发生的就是稳定破坏,如果你不压,而是两个手拉吸管,一般人应该是拉不坏的,如果你可以,那么此时吸管发生的就是强度破坏。
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说到稳定承载力,就不得不提经典的欧拉公式:
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外荷载Pcr
一个轴压构件,其屈曲承载力可通过上面的公式计算出来,我们把这个公式拆解开了,左边的Pcr是构件的屈曲承载力,当外荷载P不大于Pcr时,构件就不会屈曲,所以泉州酒店垮塌,外界荷载P的增加肯定是一个原因,不管是敲掉承重墙、还是加建夹层,都是造成外荷载P增大的原因。
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π2是个常数
这个大家都懂,记不住的同学看下图。
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E是材料的弹性模量
    常用结构的弹性模量见下表格,大家可以看出来,如果是同样的300x300的方柱截面,同等情况下,混凝土结构的屈曲承载力是高于木材的。

I是截面的惯性矩
        对于截面的惯性矩,它其实就是衡量结构构件尺寸的一个标尺。大家不用死记,但是要有基本的力学概念。
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对于矩形或者工字型截面,存在着强轴和弱轴之分,例如下图的构件受到轴压力,那么构件会往哪个方向失稳呢?显然会往弱轴方向失稳。因此稳定承载力控制的竖向构件优先采用圆管和方钢管的截面。前者可以做到各向等强,后者可以做到XY两个方向等强。
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    这个概念相当重要,L就是该轴压杆件的实际几何长度,在一个计算方向的取值,通长取侧向约束点的距离,因此下图中左侧杆件的几何长度是右侧的2倍,因此屈曲承载力左侧只是右侧的1/4,因为屈曲承载力和杆件长度的平方成对应关系,所以增加侧向约束是提高构件屈曲承载力的有效手段。
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        但是在计算屈曲承载力的时候用的是μL,就是相当长度,简单理解μ就是考虑外界对受力构件的约束。外界约束越强,那么μ就越小,构件的屈曲承载力就越大。
        给出典型的受压杆件μ的取值如下表,此参数表达的意思是外界约束的不同,杆件的失稳模态就会不一样,因此造成承载力的差别。
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因此有人说泉州酒店是钢结构梁柱节点发生破坏,造成钢梁给钢柱的侧向约束下降,造成钢柱的稳定计算长度增加导致钢柱失稳发生破坏。大家应该就明白是什么原理了吧。
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那么大家该有疑问了,如果在设计梁柱结构体系,梁对柱的约束并不是典型的铰接或者刚接,那么计算长度系数μ该怎么取呢。其实也很简单,大家可以用SAP2000对结构进行建模,然后对你感兴趣的穿层柱或者细长柱进行buckling分析,得到屈曲因子,那么就可以得到该杆件的Pcr,再利用下图中的公式,反算出μ即可。这块就不做过多讲解,大家有不明白操作流程的可以私信解答。
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欧拉公式讲解的差不多了,接下来我们谈谈双非线性的问题,即材料非线性和几何非线性。所谓的材料非线性通长就是指材料的本构关系并不是一条直线,典型的钢材本构关系见下图,由于我们日常设计中构件通常都是在弹性阶段,因此材料非线性我们就不多说了。
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当结构的变位使体系的受力发生了显著的变化,以至不能采用线性体系的分析方法时就称为几何非线性。说到这个就不得不提初始缺陷的问题。
当杆件没有初始缺陷时,其荷载位移曲线是下图这样的,到达临界荷载前,结构是没有变形的,达到临界屈曲荷载时,有概率往任何一个方向失稳。
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任何杆件加工时一定都是有一定的初始缺陷的,如果杆件有个初始的弯曲度,那结构的荷载位移曲线就变成这样了,这个才是更加符合实际。即该杆件由于几何初始缺陷的影响造成杆件的变形随着荷载的增加越来越大,杆件最终的承载力实际是达不到临界屈曲荷载值的。
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既然结构初始缺陷肯定存在,那我们可以利用他吗,答案是可以的,大家可以在我之前写的文章“ABAQUS在设计院能做什么呢?(上)”中找到下面算例,此框架初始缺陷我们在构件加工时可以人为引导,当杆件发生屈曲失稳时,右偏心发生了屈曲后承载力下降,如果外荷载卸载不掉,构件会发生大变形破坏。而左偏心虽然构件也发生了屈曲失稳,但其可以继续承担外荷载,同时发生大变形。这样就给人员一定的警示和逃生时间。
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因此做为结构工程师在进行上面的结构的设计时,可以将它做成向左有一定初始偏心的机构,这样子它的后屈曲性能是稳定的,结构比较安全。
对于初学者可以联系用ABAQUS对上面的结构进行荷载位移曲线模拟,看看是否可以算出结构的下降段,对加深稳定理解是有帮助的。

转自公众号:非解构
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