建筑鋼結構畢業論文

時間：2022-10-08 08:55:58 建筑畢業論文我要投稿

相關推薦

建筑鋼結構畢業論文

　　鋼結構建筑一種新型的建筑體系有可通房地產業、建筑業、冶金業之間的行業界線，集合成為一個新的產業體系，這就是業內人士普遍看好的鋼結構建筑體系。為大家分享了建筑鋼結構的畢業論文，歡迎大家欣賞！

建筑鋼結構畢業論文

　　【摘要】鋼結構因具有自重輕、強度高、工業化程度高等優點，在建筑工程中得到了廣泛的應用，另一方面，因其結構失穩破壞造成的人員傷亡、財產損失的事故案例也層出不斷，而失穩破壞的原因通常是結構設計缺陷所致。論文通過對鋼結構穩定性設計的概念、原則及分析方法的總結，結合工程設計實踐談談對鋼結構穩定性設計的體會本文在分析鋼結構強度與穩定的區別、鋼結構穩定性研究中存在的問題、鋼結構設計的原則與特點的基礎上，對鋼結構的設計進行闡述。

　　關鍵詞鋼結構；結構穩定；結構設計；加固

　　Stability Design of Steel Structures

　　Liu Shao-chong

　�。↗incheng Institute of Architectural DesignJinchengShanxi048000）

　　【Abstract】Because of the steel structure has light weight， high strength， high degree of industrialization advantages.It is a wide range of applications in building， on the other hand， because of structure instability and failure caused people died and property loss， and instability and failure is the usual cause of structure design. Based on the stability of steel structure design concept， principle and analysis methods of the summary， according to the engineering design practice of steel structure stability represent the experiences in the design based on the analysis of the steel structure strength and stability of the difference between the steel structure stability， the problems existing in the research， the principle of steel structure design and characteristics of the foundation， on the steel structure design in this paper.

　　【Key words】Steel structure；Stable structure；Structure design；Reinforcement

　　1. 前言

　�。�1）與國外相比，我國鋼結構建筑的發展相對滯后，在我國鋼產量連年居世界首位，鋼結構建筑的建造條件基本成熟的前提下，鋼結構技術仍未得到有效推廣，是頗值得令人深思的。目前我國建筑設計界普遍存在著對鋼結構建筑認識不足，觀念落后；對鋼結構體系積極性不高，管理跟不上等問題。這些都嚴重阻礙著鋼結構建筑在我國的進一步發展。

　�。�2）由于設計者的經驗不足及對結構整體和構件的穩定性不夠清楚，鋼結構設計中易出現結構失穩事故，對于這個問題處理不好，將會造成不應有的嚴重損失。穩定性是鋼結構工程設計中需要重點考慮的內容之一。

　�。�3）現實生活中因鋼結構失穩造成的工程事故案例也較多，如美國哈特福特城的體育館平面92m×110m的網架結構，突然于1978年墜落地面，原因是由于壓桿屈曲失穩；1988年我國也曾發生13.2m×18.0m鋼網架因腹桿穩定不足在施工過程中塌落的事故；2010年1月3日下午，昆明新機場38m鋼結構橋跨突然垮塌，造成7人死亡、8人重傷、26人輕傷，原因是橋下鋼結構支撐體系突然失穩， 8m高的橋面隨即垮塌下來。從上述案例可以看出，鋼結構失穩破壞的原因通常是其結構設計不合理，存在結構設計缺陷所致，要從根本上杜絕此類事故的發生，鋼結構穩定性設計是關鍵。

　　2. 鋼結構體系穩定性研究現狀

　�。�1）迄今為止，對鋼結構基本構件的理論問題的研究已較多，基于各種數值分析的穩定分析已較成熟。但對構件整體穩定和局部穩定的相互作用的理論和設計應用上還有待進行深入的研究。由于結構失穩是網殼結構破壞的重要原因，所以網殼結構的穩定性是一個非常重要的問題，正確的進行網殼結構尤其是單層網殼結構的穩定性分析與設計是保證網殼的安全性的關鍵。自六十年代以來，網殼結構的非線性穩定性分析一直是國內外學者們注意的焦點。英、美、德、意大利、澳大利亞、羅馬尼亞、波蘭等國的研究人員進行了多方面的理論方面的理論分析和研究。各種方法如牛頓 - 拉斐遜迭代法、弧長法、廣義逆法、人工彈簧法、自動求解技術、能量平衡技術等使跟蹤屈服問題全過程，得到結構的下降段曲線成為可能。國內學者關于網殼結構穩定性也進行了大量研究。

　�。�2）在國外研究的基礎上，通過精確化的理論表達式、合理的路徑平衡跟蹤技術及迭代策略，實現了復雜結構體系的幾何非線性全過程分析，取得了規律性的成果。同時利用隨機缺陷模態法和一致缺陷模態法兩種方法，對網殼結構各種初始缺陷的影響進行研究，較好地描述了結構的實際承載過程。也有一些學者進行了實驗方面的研究，對不同分析方法的有效性和精確性進行了說明。對網殼結構的動力失穩機理、穩定準則、動力后屈曲等問題進行了研究。對于像網殼結構這類缺陷性敏感結構在強風和地震作用下的動力穩定性研究，由于涉及穩定理論和震動理論，所以難度較大，目前研究成果還很有限。

　　3. 強度與穩定的區別

　　3.1穩定問題是力學中的一個重要分支，與強度問題有著同等重要的意義。

　　（1）結構的穩定分析是結構分析的重要組成部分。半個多世紀以來，隨著新材料、新技術突破性的發展，大跨度空間結構在世界范圍內得到了廣泛的應用。隨著國家經濟實力的增強和社會發展的需要，最近幾年各種大跨度結構在我國也得到了大量的應用。這些大跨度空間結構具有極強的幾何與材料非線性特征，桿件單元以承受軸向力為主，此時結構的承載能力常由其穩定性所控制，結構失穩時具有和脆性斷裂相似的特性，即結構的失穩破壞往往突然發生，沒有明顯的征兆。這種破壞常會造成大量的人員傷亡和巨大的經濟損失，因此對這類結構的穩定性能特別是雙重非線性穩定理論的研究具有特別重要的意義。

　�。�2）失穩的真正含義是幾何突變，即在任意微小的外力干擾下物體或結構的幾何形狀發生極大的改變。在撤除了這個任意微小的外力后，物體或結構并不恢復到原來的幾何形狀。事實上穩定的定義并非統一，關鍵在于將這種現象放在哪一種理論系統中研究。一種被廣為接受的解釋是：失穩的發生意味著穩定平衡向不穩定平衡的轉移而達到一個新的穩定的平衡�？赡馨l生平衡轉移的那個瞬間即為臨界狀態。關于穩定平衡或不穩定平衡的定義及其判斷成為我們關注的重點。從力學上講，當局部桿件發生失穩時，應力急劇下降，相鄰構件必須承擔起本由失穩構件承擔的荷載使得應力發生重分布。如相鄰構件能夠承擔重分布的荷載，則結構是穩定的，否則結構是不穩定的［1］。

　�。�3）在經典的線性結構分析中，常假設結構的變形非常微小，甚至可以忽略，所以平衡方程可按變形前的幾何位置建立，從而結構的荷載-位移關系為線性的。由于失穩將引起結構幾何形狀發生明顯改變，所以在結構穩定分析時，必須考慮變形對結構內力的影響，平衡方程必須按變形后的位置建立，這時結構的荷載-位移關系為非線性的，因此實際結構屈曲前和屈曲后分析都必須采用非線性分析的方法。這是穩定分析和經典結構分析最大的不同點。

　�。�4）結構的穩定性能可以從非線性的荷載-位移關系曲線中得到完整的概念，因為曲線上的每一點都代表相應的平衡狀態，曲線上的每一點均滿足平衡方程、協調方程和本構方程，因而該曲線又稱為平衡路徑。在平衡路徑上，若荷載隨位移的增加而增加，則平衡狀態是穩定的；若荷載隨位移的增加而降低，則平衡狀態是不穩定的［2，3］，它主要是找出外荷載與結構內部抵抗力間的不穩定平衡狀態，即變形開始急劇增長的狀態，從而設法避免進入該狀態。因此，它是一個變形問題。如軸壓柱，由于失穩，側向撓度使柱中增加數量很大的彎矩，因而柱子的破壞荷載可以遠遠低于它的軸壓強度。顯然，軸壓強度不是柱子破壞的主要原因。

　　3.2強度問題是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載所引起的最大應力是否超過建筑材料的極限強度，因此，這是一個應力問題。極限強度的取值取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料，可取它的最大強度，對鋼材則常取它的屈服點。穩定問題則與強度問題不同穩定是結構所處的一種狀態。

　　4. 鋼結構失穩的分類

　　（1）第一類穩定問題或者具有平衡分岔的穩定問題（也叫分支點失穩）。完善直桿軸心受壓時的屈曲和完善平板中面受壓時的屈曲都屬于這一類。圖1為承受軸向壓力的軸壓桿的荷載-位移曲線，當壓力達到Pcr（臨界荷載）后，分叉的平衡路徑。Ⅱ關于豎軸對稱.結構屈曲后并未喪失繼續承載的能力。從設計的角度看，這類結構具有屈曲后強度，即具有承擔大于屈曲荷載的承載能力。所以這種屈曲破壞是有預兆的延性破壞。初始缺陷使平衡路徑變為虛線形式，并使結構的剛度下降更快，產生更大的變形從而影響結構的正常使用，結構的實際屈曲方向取決于初始缺陷的方向，軸壓桿和中面受壓的薄板的失穩屬于這一類。

　　（2）第二類穩定問題是不穩定的對稱分叉失穩。圖2為承受均勻壓力圓柱殼的荷載-位移曲線，當壓力達到Pcr后，分叉的平衡路徑Ⅱ亦關于豎軸對稱，但結構喪失了繼續承載的能力。在達到理論上的屈曲荷載Pcr前，微小的干擾就可能使這類結由屈曲前的穩定平衡狀態（點A）跳躍到非臨近的屈曲平衡狀態（點B），而不經過理想的分叉點，所以這種屈曲又稱為有限干擾屈曲。這類結構一旦發生屈曲，剛度迅速降低而產生較大的變形，沒有屈曲后強度，故不具有承擔大于屈曲荷載的承載能力，所以這種屈曲破壞是沒有預兆的脆性破壞。初始缺陷使平衡路徑變為虛線形式，它不但降低了結構的剛度，而且使結構實際的極限荷載Pu遠小于Pcr，結構的實際屈曲方向取決于初始缺陷的方向。承受軸向荷載的圓柱殼、承受均勻外壓力的全球殼、矢跨比較高的拱、拉線塔的整體失穩屬于這一類。薄壁型鋼方管壓桿在一定條件下也表現出類似特性。

　�。�3）第三類穩定問題為不對稱的分叉失穩，圖3為承受節點集中荷載的Г形框架的荷載-位移曲線，當壓力達到Pcr后分叉的平衡路徑Ⅱ不關于豎軸對稱，這種分叉失穩，雖然屈曲后平衡路徑有一枝是穩定的（ab段），但在此之前，平衡路徑要經過不穩定的分叉點a，而在該點處結構也可能向相反的方向（ac段）屈曲，所以這類結構的失穩沒有屈曲后強度。初始缺陷使平衡路徑變成虛線所示形式，不再像理想桿件那樣具有分叉點，臨界荷載對應于曲線上的極值點。屈曲方向及穩定性取決于初始缺陷的方向，在設計中，可以人為地控制初始缺陷的方向，使其屈曲變形沿穩定枝一側發展，從而可以避免發生脆性的跳躍型失穩。Г型框架和平面桁架的整體失穩屬于這一類型。

　　（4）第四類穩定問題為跳躍失穩，圖4為承受節點集中荷載的兩桿扁桁架的荷載-位移曲線，平衡路徑為一條有極值點的非線性曲線。一加載，平衡路徑便開始彎曲，在達到Pcr以前，結構剛度隨荷載的增加而降低。當荷載達到Pcr時，結構會突然跳躍到另一具有較大位移的穩定平衡狀態。跳躍失穩經過很大的變形后跳躍到另一個穩定平衡狀態。但實際工程中不允許出現這樣大的變形，所以應該以臨界荷載作為承載的極限。從設計的角度看，這類結構的跨高比越大，臨界荷載越小。初始幾何缺陷對結構的臨界荷載影響不大。扁殼、坦拱、空間桁架和扁平的網殼有可能發生跳躍失穩［4，5］。

　�。�5）區分結構失穩類型的性質十分重要，這樣才有可能正確估量結構的穩定承載力。隨著穩定問題研究的逐步深入，上述分類看起來已經不夠了。設計為軸心受壓的構件，實際上總不免有一點初彎曲，荷載的作用點也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構件的性能，就必須了解缺陷對它的影響，其他構件也都有個別缺陷影響問題。另一方面就是深入對構件屈曲后性能的研究。

　　5. 鋼結構穩定性研究中存在的問題

　　5.1目前，大跨度結構設計中取一個統一的穩定安全系數，未反映整體穩定與局部穩定的關聯性，梁——柱單元不一定能真實反映網殼結構的受力狀態，主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應，在大跨度結構設計中整體穩定與局部穩定的相互關系也是一個值得探討的問題，預張拉結構體系的穩定設計理論還很不完善，目前還沒有一個完整合理的理論體系來分析預張拉結構體系的穩定性。

　　5.2鋼結構體系的穩定性研究中存在許多隨機因素的影響，目前結構隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結構參數、隨機荷載輸入這樣一個格局范圍，而在實際工程中，由于結構參數的不確定性，會引起結構響應的顯著差異，所以，應著眼于考慮隨機參數的結構極值失穩、干擾型屈曲、跳躍型失穩問題的研究。

　　5.3鋼結構穩定理論的不完善，鋼結構設計中一般都是把鋼結構看成是完善的結構體系，在設計中我們沒有考慮一些隨機因素的影響，一般情況下把影響鋼結構穩定性隨機因素分為3類：

　�。�1）物理、幾何不確定性：如材料（彈性模量，屈服應力，泊松比等）、桿件尺寸、截面積、殘余應力、初始變形等。

　�。�2）統計的不確定性：在統計與穩定性有關的物理量和幾何量時，總是根據有限樣本來選擇概率密度分布函數。因此，帶來一定的經驗性。這種不確定性稱為統計的不確定性，是由于缺乏數據造成的。

　　（3）模型的不確定性：為了對結構進行分析，所提的假設、數學模型、邊界條件以及目前技術水平難以在計算中反映的種種因素，所導致的理論值與實際承載力的差異，都歸結為模型的不確定性［6］。

　　6. 鋼結構穩定性的分析方法

　　鋼結構穩定問題的分析都是針對在外荷載作用下結構存在變形的條件下進行的，此變形應該與所研究的結構或構件失穩時出現的變形相對應。結構變形與荷載之間呈非線性關系，穩定計算屬于非線性幾何問題，采用的是二階分析方法。穩定計算所確定的不論是屈曲荷載還是極限荷載，都可視為所計算的結構或構件的穩定承載力。

　　6.1靜力法。

　　6.1.1靜力法即靜力平衡法，是根據已發生了微小變形后結構的受力條件建立平衡微分方程，然后解出臨界荷載。在建立平衡微分方程時遵循如下基本假定：

　�。�1）構件是等截面直桿。

　�。�2）壓力始終沿構件原來軸線作用。

　�。�3）材料符合胡克定律，即應力與應變成線性關系。

　　（4）構件符合平截面假定，即構件變形前的平截面在變形后仍為平截面。

　　（5）構件的彎曲變形是微小的，曲率可以近似地用撓度函數的二階導數表示。

　　6.1.2根據以上假定條件可建立平衡微分方程，代入相應的邊界條件，即可解得兩端鉸支的軸壓構件的臨界荷載。

　　6.2能量法。

　　能量法是求解穩定承載力的一種近似方法，通過能量守恒原理和勢能駐值原理求解臨界荷載。

　�。�1）能量守恒原理求解臨界荷載。保守體系處在平衡狀態時，貯存在結構體系中的應變能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其臨界狀態的能量關系為：

　　ΔU =ΔW

　　式中 ΔU——指應變能的增量；

　　ΔW——指外力功的增量。

　　由能量守恒原理可建立平衡微分方程。

　�。�2）勢能駐值原理求解臨界荷載。勢能駐值原理指：受外力作用的結構，當位移有微小變化而總勢能不變，即總勢能有駐值時，結構處于平衡狀態。表達式為：

　　dΠ=dU-dW =0

　　式中 dU——指虛位移引起的結構內應變能的變化，它總是正值；

　　dW——指外力在虛位移上作的功。

　　6.3動力法。

　　處于平衡狀態的結構體系，如果施加微小干擾使其發生振動，這時結構的變形和振動加速度都和已經作用在結構上的荷載有關。當荷載小于穩定的極限荷載值時，加速度和變形的方向相反，因此干擾撤去后，運動趨于靜止，結構的平衡狀態是穩定的；當荷載大于穩定的極限荷載值時，加速度和變形的方向相同，即使撤去干擾，運動仍是發散的，因此結構的平衡狀態是不穩定的。臨界狀態的荷載即為結構的屈曲荷載，可由結構的振動頻率為零的條件解得。

　　7. 鋼結構設計的原則

　　7.1結構整體布置必須考慮整個體系以及構件局部穩定性的要求。

　　保證平面結構不致出出平面失穩，需要從結構整體布置來解決，亦即設計必要的支撐構件，平面結構構件的出平面穩定計算必須和結構布置相一致，由平面桁架組成的塔架，需要注意桿件的穩定和橫隔設置之間的關系。

　　7.2結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖必須一致。

　　當設計單層或多層框架結構時，通常不做框架穩定分析而只做框架柱的穩定計算。采用這種方法計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數，應通過框架整體穩定分析得出，使柱穩定計算等效于框架穩定計算�！朵摻Y構設計規范》（GB50017-2003）對單層或多層框架給出的柱計算長度系數采用了5條基本假定，其中包括：“框架中的所有柱子是同時喪失穩定的，即各柱同時達到其臨界荷載”，按照這條假定，框架各柱的穩定參數、桿件穩定計算的常用方法，是依據一定的簡化假設或者典型情況得出的，設計者需確認所設計的結構符合這些假設時才能正確應用。

　　7.3細部構造結構的設計和構件的穩定計算必須一致。

　　對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節點應盡量減少桿件偏心這些都是設計者處理構造細部時經�？紤]到的［7］，但是，當涉及穩定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮，支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩定分析所采取的邊界條件。

　　8. 鋼結構穩定設計特點

　�。�1）失穩和整體剛度：現行規范通用的軸心壓桿的穩定計算法是臨界壓力求解法和折減系數法；穩定性整體分析：桿件能否保持穩定牽涉到結構的整體。穩定分析必須從整體著眼；穩定計算的其它特點：在彈性穩定計算中，除了需要考慮結構的整體性外，還有一些其它特點需要引起重視，首先要做的就是二階分析，這種分析對柔性構件尤為重要，這是因為柔性構件的大變形量對結構內力產生了不能忽視的影響；其次，普遍用于應力問題的迭加原理。

　�。�2）目前鋼結構設計多借助鋼結構計算機軟件進行結構受力計算，結構和構件的平面內強度及整體穩定計算可依靠程序自動完成，結構和構件的平面外強度及穩定計算，需要設計者另做分析、計算和設計。此時可將整個結構按標高分解成多個不同布置形式的結構體系，在不同的水平荷載作用下，進行結構體系的強度和穩定計算。

　�。�3）受彎鋼構件的板件局部穩定有兩種方式：一是以屈曲為承載能力的極限狀態，并通過對板件寬厚比的限制，使之不在構件整體失效前屈曲；二是允許板件在構件整體失效前屈曲，并利用其屈曲后強度，構件的承載能力由局部屈曲后的有效截面確定。對于不考慮屈曲后強度的梁局部穩定，可對梁設置橫向或縱向加勁肋，以解決梁的局部穩定問題，加勁肋按《鋼結構設計規范》（GB50017 -2003）第4·3規定設置；對于組合梁腹板考慮屈曲后強度的計算按《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）第4·4規定執行。

　�。�4）軸心受壓構件和壓彎構件局部穩定有兩種方式：一是控制翼緣板自由外伸寬度與其厚度之比；二是控制腹板計算高度與其厚度之比。對于圓管截面的受壓構件，應控制外徑與壁厚之比，加勁肋按《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）第5·4規定設置。

　　9. 鋼結構加固方法

　　鋼結構加固的主要方法有：減輕荷載、改變結構計算圖形、加大原結構構件截面和連接強度、阻止裂紋擴展等。當有成熟經驗時，亦可采用其它加固方法［8］。

　　9.1改變結構計算圖形。

　　改變結構計算圖形的加固方法是指采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節點性質和邊界條件，增設附加桿件和支撐、施加預應力、考慮空間協同工作等措施對結構進行加固的方法，增加支撐形成空間結構并按空間結構驗算，加設支撐增加結構剛度，或者調整結構的自振頻率等以提高結構承載力和改善結構動力特性，增設支撐或輔助桿件使結構的長細比減少以提高其穩定性，在排架結構中重點加強某一列柱的剛度，使之承受大部分水平力，以減輕其它柱列的負荷，在塔架等結構中設置拉桿或適度張緊的拉索以加強結構的剛度。

　　9.2對受彎桿件可采用下列改變其截面內力的方法進行加固。

　　改變荷載的分布，例如將一個集中荷載轉化為多個集中荷載，改變端部支承情況，例如變鉸接為剛結，增加中間支座或將簡支結構端部連接成為連續結構，調整連續結構的支座位置；將結構變為撐桿式結構，施加預應力，加設預應力拉桿。加大構件截面的加固采用加大截面加固鋼構件時，所選截面形式應有利于加固技術要求并考慮已有缺陷和損傷的狀況。

　　9.3連接的加固與加固件的連接。

　　鋼結構連接方法，即焊縫、鉚釘、普通螺栓和高強度螺栓連接方法的選擇，應根據結構需要加固的原因、目的、受力狀況、構造及施工條件，并考慮結構原有的連接方法確定。鋼結構加固一般宜采用焊縫連接、摩擦型高強度螺栓連接，有依據時亦可采用焊縫和摩擦型高強度螺栓的混合連接。當采用焊縫連接時，應采用經評定認可的焊接工藝及連接材料。

　　10. 結論

　　鋼結構穩定問題是很復雜的，尤其當構件存在初始缺陷、殘余應力以及非線性因素的影響時，就更增加了解決穩定問題的難度。另外，在工程結構穩定性的研究領域中，還存在很多尚未解決的難題。比如：大跨度橋梁、大跨度薄殼、大跨度大空間網殼、高層與超高層建筑結構的雙重非線性動力穩定性等問題，只有深入研究并解決這些難題，鋼結構穩定設計理論才會不斷地完善。

　　參考文獻

　　［1］錢若軍，王建，等.網殼結構穩定分析的建模［J］.建筑結構學報.

　　［2］何志軍，丁潔民.大跨鋼結構穩定分析幾個基本問題的定性討論［J］.四川建筑科學研究，2003，09.

　�。�3］秦榮.計算結構力學［M］.北京：科學出版社.

　　［4］項海帆.高等橋梁結構理論［M］.北京：人民交通出版社，2000，07.

　�。�5］陳銘，何麗麗，鞏偉平.淺談鋼結構穩定性設計.山西建筑，2008，2.

　�。�6］鄭金泰.探究鋼結構穩定性設計，2008（29）.

　　［7］羅建華.鋼結構穩定性設計計算要點.新疆石油科技（8）.

　�。�8］吳文德.淺析鋼結構的穩定設計.吉林工程技術師范學院學報，2008，8.

【建筑鋼結構畢業論文】相關文章：

鋼結構建筑論文10-08

建筑鋼結構焊接論文10-08