Stability Design of Steel Frames pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CRC Press

作者:W.F. Chen

出品人:

页数:394

译者:

出版时间:1991-7-24

价格:USD 189.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780849386060

丛书系列:

图书标签:

• W.F.Chen
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钢结构框架的稳定性设计 一、 绪论：钢结构框架稳定性设计的基石 钢结构以其高强度、良好的韧性、施工便捷等优点，在现代建筑工程中扮演着至关重要的角色。从高耸入云的摩天大楼到宽阔的桥梁，再到复杂的工业厂房，钢结构框架的身影随处可见。然而，钢结构框架并非全然稳固，其稳定性是设计中不可回避的核心问题。结构在承受荷载时，自身几何形状的微小变化可能导致荷载的巨大增长，甚至发生失稳破坏。因此，深入理解并掌握钢结构框架的稳定性设计原理，是确保结构安全、可靠、经济的重要前提。 本研究旨在全面探讨钢结构框架的稳定性设计。我们将从理论基础出发，层层递进，深入解析各种影响因素，并结合实际工程应用，提供切实可行的设计方法与策略。本书的内容将涵盖框架整体稳定性、杆件稳定性、连接节点稳定性以及在不同荷载条件下的稳定性分析等多个维度，力求为工程师、研究人员以及相关专业的学生提供一本既具理论深度又富实践价值的参考书。 二、 钢结构框架的稳定性理论基础 结构稳定性问题，本质上是研究结构在受压或受弯荷载作用下，其平衡状态是否稳定。当外荷载达到某一临界值时，结构会从原来的平衡状态突然发生大幅度的变形，甚至丧失承载能力，这种现象即为失稳。钢结构框架的稳定性设计，正是要确保其在设计荷载作用下，不会发生此类失稳现象。 1. 平衡状态与稳定性 平衡状态（Equilibrium）： 结构处于静止状态，合外力及合力矩为零。 稳定平衡（Stable Equilibrium）： 受到微小扰动后，结构会恢复到原来的平衡位置。 随遇平衡（Neutral Equilibrium）： 受到微小扰动后，结构会停留在新的平衡位置，且不自行返回或远离。 不稳定平衡（Unstable Equilibrium）： 受到微小扰动后，结构会迅速远离原来的平衡位置。 钢结构框架的设计目标是确保其在正常使用条件下，处于稳定平衡状态。 2. 弹性失稳（Euler Buckling） 欧拉屈曲理论： 这是最早且最基本的稳定性理论，主要针对细长柱体在轴向压力作用下的屈曲现象。该理论指出，当轴向压力达到一个临界值（欧拉临界力）时，柱体将发生弹性弯曲变形，即屈曲。 欧拉临界力的计算： $$P_{cr} = frac{pi^2 EI}{(KL)^2}$$ 其中，$P_{cr}$ 为欧拉临界力， $E$ 为材料的弹性模量， $I$ 为截面的最小惯性矩， $L$ 为杆件的长度， $K$ 为有效长度系数，取决于杆件的端部约束条件。 应用与局限性： 欧拉理论为理解柱的屈曲提供了基础，但其假设条件（如材料线弹性、微小变形、理想柱等）在实际工程中往往难以完全满足。 3. 非弹性失稳（Inelastic Buckling） 屈服与屈曲的耦合： 当杆件材料达到屈服应力时，其应力-应变关系不再是线性的。在这种情况下，杆件可能在达到欧拉临界力之前就发生屈服，导致屈曲行为发生变化，即发生非弹性失稳。 屈服屈曲（Yield Buckling）： 杆件在屈服应力范围内发生屈曲。 局部屈曲（Local Buckling）： 钢结构的构件（如薄壁截面）可能在整体屈曲之前，其翼缘或腹板等局部区域发生屈曲。这会显著降低构件的整体承载能力和稳定性。 屈曲的经验公式与曲线： 为考虑非弹性失稳的影响，工程设计中常采用经验公式或屈曲曲线（如冷弯型钢的屈曲曲线）来确定杆件的临界屈服强度。 4. 侧向弯扭屈曲（Lateral Torsional Buckling, LTB） 弯曲构件的失稳： 对于承受弯矩的钢梁，其在垂直于受弯平面的方向可能发生侧向弯曲，并伴随有扭转变形，最终导致失稳。这种现象称为侧向弯扭屈曲。 影响因素： 梁的截面形状、材料性质、跨度、加载点、端部约束以及侧向支撑情况等都会影响侧向弯扭屈曲的发生。 临界弯矩： 存在一个临界弯矩，当梁所承受的弯矩达到此值时，将发生侧向弯扭屈曲。临界弯矩的计算通常依赖于解析解、数值模拟或工程设计规范中的相关公式。 5. 整体框架稳定性 侧向整体稳定性： 钢结构框架在承受水平荷载（如风荷载、地震荷载）或由于结构自重产生的轴力传导时，可能发生整体的侧向变形，甚至整体失稳。 刚臂与剪力墙： 框架结构的侧向刚度是抵抗水平荷载的关键。柱、梁的刚度、节点连接的刚度以及是否存在剪力墙、支撑等构件，共同决定了框架的侧向整体稳定性。 P-Delta效应： 在框架整体侧移的变形状态下，竖向荷载作用产生的附加弯矩（P-Delta效应）会进一步增大结构的内力，可能导致结构失稳。因此，在整体稳定性分析中，P-Delta效应是必须考虑的重要因素。 三、 钢结构框架的杆件稳定性设计 框架中的每一根杆件（柱、梁、斜撑等）都必须满足其自身的稳定性要求。 1. 轴心受压杆件（柱）的稳定性设计 确定轴心受压构件的有效长度： 根据端部约束条件，选取合适的有效长度系数 $K$，计算构件的有效长度 $L_{eff} = KL$。 进行细长比验算： 计算构件的细长比 $lambda = L_{eff}/i$ （$i$ 为最小回转半径），并根据规范要求判断其属于细长杆件、中等杆件还是短杆件。 计算临界屈服强度： 根据构件的细长比、材料屈服强度以及适用的屈曲公式（如根据欧拉公式推导或采用屈曲曲线），计算构件的临界屈服强度 $f_{cr}$。 进行承载能力验算： 将构件的实际受压应力与临界屈服强度进行比较，确保 $sigma le f_{cr}$（通常会引入安全系数）。 考虑双轴弯曲下的柱稳定性： 在实际工程中，柱往往同时承受轴向力和弯矩，甚至可能存在双轴弯曲。此时，需要采用更复杂的公式（如交互公式）来考虑弯曲和轴压力共同作用下的稳定性。 2. 受弯杆件（梁）的稳定性设计 侧向弯扭屈曲（LTB）的验算： 确定梁的侧向支撑条件： 检查梁的翼缘或腹板在何处获得侧向支撑（如楼板、墙体、支撑杆件等）。支撑点的间距对LTB至关重要。 计算临界侧向弯扭屈曲弯矩： 根据梁的截面特性、材料属性、无侧向支撑长度以及端部弯矩分布情况，采用相关公式（如根据欧拉-特纳理论推导或工程规范中的简化公式）计算临界侧向弯扭屈曲弯矩 $M_{cr}$。 进行承载能力验算： 将梁的最大设计弯矩与临界侧向弯扭屈曲弯矩进行比较，确保设计弯矩小于或等于允许弯矩（考虑安全系数）。 局部屈曲的验算（针对薄壁截面）： 腹板屈曲： 检查腹板的宽厚比，是否存在局部屈曲的风险。 翼缘屈曲： 检查翼缘的宽厚比，是否存在局部屈曲的风险。 采用折减截面法或等效截面法： 当发生局部屈曲时，需要采用相应的工程方法对截面的有效面积或有效惯性矩进行折减，以反映局部屈曲对承载能力的影响。 3. 组合受力杆件（梁柱）的稳定性设计 梁柱定义： 梁柱是指同时承受轴向压力和弯矩的杆件，是框架结构中最常见的构件类型。 整体稳定性与局部稳定性： 梁柱的稳定性设计需要同时考虑其整体稳定（如同柱子一样）和局部稳定（如同梁一样）。 交互公式的应用： 工程中通常采用交互公式来处理梁柱在轴压力和弯矩共同作用下的稳定性问题。这些公式通常是将弯矩效应转化为等效轴压力，或将轴压力效应转化为等效弯矩，然后进行组合验算。 P-Delta效应的考虑： 对于梁柱，其自身的变形也会在其轴向力作用下产生附加弯矩，即P-Delta效应。这会进一步增加梁柱的内力，必须在计算中予以考虑。 四、 钢结构框架的整体稳定性设计 框架的整体稳定性是指整个框架结构抵抗侧向变形和失稳的能力。 1. 侧向刚度的重要性 侧向荷载的抵抗： 风荷载、地震作用以及各种工艺荷载都会对框架结构产生水平作用力，框架的侧向刚度是抵抗这些荷载并保证结构不发生过大侧移的关键。 P-Delta效应的控制： 良好的侧向刚度能够减小框架的整体侧移，从而有效减小P-Delta效应带来的不利影响。 影响侧向刚度的因素： 柱的抗弯刚度、梁的抗弯刚度、节点连接的刚度和转动能力、以及结构中是否存在剪力墙、支撑体系等。 2. 抗侧力体系的类型 框架结构（Moment Resisting Frames）： 主要依靠梁柱自身的抗弯刚度和节点连接的刚度来抵抗侧向力。 支撑框架（Braced Frames）： 在框架结构中设置斜向的支撑杆件，形成三角形刚度单元，极大地提高了结构的侧向刚度和稳定性。 剪力墙结构（Shear Wall Structures）： 将钢板或组合板作为墙体，与框架连接，形成强大的抗侧力体系。 混合结构： 结合以上不同体系的优点，以达到最佳的性能。 3. 整体稳定性分析方法 弹性整体稳定性分析： 二阶理论分析（Second-Order Analysis）： 考虑结构变形后的内力重分布效应，包括P-Delta效应。这是目前进行框架整体稳定性分析的标准方法。 直接积分法、叠加法等： 用于求解二阶理论下的方程组。 屈曲分析（Buckling Analysis）： 本征值屈曲分析（Eigenvalue Buckling Analysis）： 是一种线性屈曲分析方法，用于预测结构在达到某一临界荷载时可能发生的屈曲模式。虽然不能直接给出失稳时的真实荷载，但可以帮助工程师理解结构的屈曲行为和薄弱环节。 非线性屈曲分析： 更精确地模拟结构的屈曲过程，考虑材料非线性、几何非线性和初始缺陷等因素。 侧移验算（Lateral Deflection Check）： 最大允许侧移： 根据结构的功能和规范要求，确定结构在设计荷载作用下的最大允许侧移。 侧移验算： 通过结构分析软件计算结构在荷载作用下的最大侧移，并与允许值进行比较。 4. P-Delta效应的影响与处理 P-Delta效应的机理： 结构的整体变形导致竖向荷载作用在变形后的位置，从而产生附加弯矩，进一步加剧变形。 二阶理论的优势： 二阶理论分析能够直接包含P-Delta效应。 简化处理方法： 在某些情况下，也可以采用一些简化的方法来考虑P-Delta效应，如放大弯矩法。 重要性： 对于高层建筑或侧向刚度较小的框架，P-Delta效应的影响可能非常显著，必须予以高度重视。 五、 连接节点稳定性设计 连接节点是框架结构中传递荷载和力的关键部位，其稳定性直接影响整个结构的可靠性。 1. 节点的作用 传递内力： 节点需要可靠地传递梁、柱之间的轴力、剪力、弯矩等。 保证整体协调变形： 节点的刚度和转动能力决定了框架整体的变形协调性。 抵抗局部破坏： 节点本身也可能发生局部屈曲、屈服或撕裂等破坏。 2. 节点的类型与稳定性问题 刚接节点（Moment Connections）： 能够传递显著弯矩，对框架整体侧向稳定贡献大，但设计复杂，易发生局部破坏。 铰接节点（Pinned Connections）： 只能传递轴力和剪力，不能传递弯矩，对框架整体侧向稳定贡献小，但构造简单。 偏心连接： 弯矩通过偏心传递，会产生额外的剪力或轴力，需要仔细分析。 3. 节点稳定性设计要点 焊缝与螺栓连接的稳定性： 焊缝屈曲与撕裂： 确保焊缝的足够强度和延性，避免焊缝区域发生局部屈曲或撕裂。 螺栓连接的承载力与抗剪稳定性： 验算螺栓的抗剪、抗拉承载力，以及连接板的局部屈曲。 节点板与加强件的稳定性： 节点板的屈曲： 节点板的尺寸和厚度需足够，以抵抗弯矩和剪力引起的局部屈曲。 加强筋的作用： 在薄弱节点区域设置加强筋，提高节点的整体稳定性和承载力。 节点区域的局部屈曲： 柱翼缘与腹板在节点区的屈曲： 尤其是在刚接框架中，柱翼缘和腹板在梁连接区域可能发生局部屈曲，需要通过加劲肋或加大截面来解决。 六、 钢结构框架在不同荷载条件下的稳定性 结构在承受不同性质的荷载时，其稳定性问题会呈现出不同的特点。 1. 静力荷载（重力、恒载、活载）下的稳定性 主要关注点： 轴心受压杆件的屈曲、受弯杆件的侧向弯扭屈曲、以及由于重力引起的P-Delta效应。 设计方法： 依据结构设计规范，计算各构件的临界承载力，并与设计荷载进行比较。 2. 动力荷载（风荷载、地震荷载）下的稳定性 风荷载： 主要产生水平侧向力，考验框架的整体侧向刚度和连接节点的抗风能力。 地震荷载： 具有随机性、周期性和巨大的能量，对结构的整体稳定性和延性要求极高。 动力弹塑性分析： 对于重要的或高层建筑，常采用动力弹塑性分析来模拟结构在地震作用下的真实反应，包括非线性变形和耗能能力。 延性设计： 确保结构在地震作用下能够发生一定程度的塑性变形而不会突然发生脆性破坏，即具有良好的延性。 损伤累积： 考虑反复荷载作用下构件和连接的损伤累积。 偶然荷载： 考虑地震可能带来的不利偶然荷载组合。 3. 火灾荷载下的稳定性 材料性能退化： 高温会显著降低钢材的强度和刚度，并可能导致钢材发生蠕变。 热胀冷缩效应： 温度变化引起的尺寸变化可能导致结构内部产生附加应力。 火灾下的稳定性评估： 需要根据钢材在高温下的性能曲线，评估结构在火灾条件下的承载能力和稳定性。常采用热力耦合有限元分析。 防火保护措施： 涂刷防火涂料、包裹防火材料等，以延缓钢结构升温速度，延长其耐火极限。 七、 现代钢结构框架稳定性设计的实践与发展 1. 计算机辅助设计（CAD）与结构分析软件 三维建模： 能够直观地建立复杂的框架模型。 多尺度分析： 从构件级到整体结构级，进行多尺度的详细分析。 非线性分析： 能够进行几何非线性、材料非线性分析，更准确地模拟结构的实际行为。 屈曲分析与模态分析： 预测结构的屈曲模式和临界屈曲荷载。 动力时程分析： 模拟结构在动力荷载下的响应。 优化设计： 结合优化算法，实现结构材料的经济性和性能的最优化。 2. 新材料与新工艺在稳定性设计中的应用 高强度钢： 提高构件的承载能力和稳定性，减小结构自重。 高性能混凝土（在组合结构中）： 提高整体结构的刚度和整体性。 先进的连接技术： 如预制连接件、高强度螺栓连接等，提高连接的可靠性和效率。 3. 基于性能的设计（Performance-Based Design, PBD） 超越传统的设计理念： 不仅仅满足于保证结构不发生倒塌，而是根据结构的使用功能和预期性能，对结构在不同荷载水平下的行为进行更精细的评估和控制。 性能目标设定： 例如，在基本设防地震下保证结构不损坏，设防烈度地震下保证结构不倒塌，罕遇地震下保证人员安全。 先进的分析手段： 采用非线性静力推覆分析、非线性动力时程分析等先进技术。 4. 可持续性与绿色设计 材料的优化利用： 通过精细化设计，减少钢材的用量，降低能耗。 结构的韧性与耐久性： 提高结构的抗灾能力，延长结构的使用寿命。 可回收性： 考虑钢结构的可回收性，符合可持续发展的理念。 八、 结论 钢结构框架的稳定性设计是一个复杂而又至关重要的工程问题。它不仅关乎结构的安全性，也直接影响结构的经济性和实用性。本书从理论基础出发，系统地阐述了杆件稳定性、整体稳定性、节点稳定性以及在不同荷载作用下的稳定性设计方法。通过深入理解和应用本书所介绍的原理和方法，工程师们能够更有效地设计出安全、可靠、经济的钢结构框架，为现代建筑事业的发展贡献力量。未来的研究将继续聚焦于更精确的分析方法、更优化的设计策略以及更广泛的应用场景，以应对日益复杂的工程挑战。

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