建筑結構應按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設計

1、1第一章第一章概述建筑結構應按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設計。前者指結構或構件達到最大承載力或達到不適于繼續(xù)承載的變形時的極限狀態(tài)；后者為結構或構件達到正常使用的某項規(guī)定限值時的極限狀態(tài)[1]。鋼結構可能出現(xiàn)的承載能力極限狀態(tài)有：①結構構件或連接因材料強度被超過而破壞；②結構轉變?yōu)闄C動體系；③整個結構或其中一部分作為剛體失去平衡而傾覆；④結構或構件喪失穩(wěn)定；⑤結構出現(xiàn)過度塑性變形，不適于繼續(xù)承載；⑥在重復荷載下構件疲勞斷裂。其中

2、穩(wěn)定問題是鋼結構的突出問題，在各種類型的鋼結構中，都可能遇到穩(wěn)定問題，因穩(wěn)定問題處理不利造成的事故也時有發(fā)生。1.1鋼結構的失穩(wěn)破壞鋼結構的失穩(wěn)破壞鋼結構因其優(yōu)良的性能被廣泛地應用于大跨度結構、重型廠房、高層建筑、高聳構筑物、輕型鋼結構和橋梁結構等。如果鋼結構發(fā)生事故則會造成很大損失。1907年，加拿大圣勞倫斯河上的魁北克橋，在用懸臂法架設橋的中跨橋架時，由于懸臂的受壓下弦失穩(wěn)，導致橋架倒塌，9000t鋼結構變成一堆廢鐵，橋上施工人員7

3、5人罹難。大跨度箱形截面鋼橋在1970年前后曾出現(xiàn)多次事故[2]。美國哈特福德市（HartfdCity）的一座體育館網(wǎng)架屋蓋，平面尺寸92m110m，該體育館交付使用后，于1987年1月18日夜突然坍塌[3]。由于網(wǎng)架桿件采用了4個等肢角鋼組成的十字形截面，其抗扭剛度較差；加之為壓桿設置的支撐桿有偏心，不能起到預期的減少計算長度的作用，導致網(wǎng)架破壞[4]。20世紀80年代，在我國也發(fā)生了數(shù)起因鋼構件失穩(wěn)而導致的事故[5]?？萍{科夫和馬霍

4、夫曾分析前蘇聯(lián)1951—1977年期間所發(fā)生的59起重大鋼結構事故，其中17起事故是由于結構的整體或局部失穩(wěn)造成的。如原古比雪夫列寧冶金廠鍛壓車間在1957年末，7榀鋼屋架因壓桿提前屈曲，連同1200m2屋蓋突然塌落。高層建筑鋼結構在地震中因失穩(wěn)而破壞也不乏其例。1985年9月19日，墨西哥城湖泊沉淀區(qū)發(fā)生8.1級強震，持時長達180s，只隔36h又發(fā)生一次7.5級強余震。震后調查表明，位于墨西哥城中心區(qū)的PinoSuarez綜合樓第4

5、層有3根鋼柱嚴重屈曲（失穩(wěn)），橫向X形支撐交叉點的連接板屈曲，縱向桁架梁腹桿屈曲破壞[6]。1994年發(fā)生在美國加利福尼亞州Nthridge的地震震害表明該地區(qū)有超過100座鋼框架發(fā)生了梁柱節(jié)點破壞[7]對位于WoodlHills地區(qū)的一座17層鋼框架觀察后發(fā)現(xiàn)節(jié)點破壞很嚴重[8]豎向支撐的整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)現(xiàn)象明顯。1995年發(fā)生在日本HyogokenNanbu的強烈地震中，鋼結構發(fā)生的典型破壞主要有局部屈曲、脆性斷裂和低周疲勞破壞[

6、9]。對結構構件，強度計算是基本要求，但是對鋼結構構件，穩(wěn)定計算比強度計算更為重要。強度問題與穩(wěn)定問題雖然均屬第一極限狀態(tài)問題，但兩者之間概念不同。強度問題關注在結構構件截面上產生的最大內力或最大應力是否達到該截面的承載力或材料的強度，因此，強度問題是應力問題；而穩(wěn)定問題是要找出作用與結構內部抵抗力之間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長的狀態(tài)，屬于變形問題。穩(wěn)定問題有如下幾個特點：（1）穩(wěn)定問題采用二階分析。以未變形的結構來分析它的平

7、衡，不考慮變形對作用效應的影響稱為一階分析（FOA—FirstderAnalysis）；針對已變形的結構來分析它的平衡，則是二階分析(SOA—SecondderAnalysis)。應力問題通常采用一階分析，也稱線性分析；穩(wěn)定問題原則上均采用二階分析，也稱幾何非線性分析。（2）不能應用疊加原理。應用疊加原理應滿足兩個條件：①材料符合虎克定律，即應力與應變成正比；②結構處于小變形狀態(tài)，可用一階分析進行計算。彈性穩(wěn)定問題不滿足第二個條件，即對

8、二階分析不能用疊加原理；非彈性穩(wěn)定計算則兩個條件均不滿足。因此，疊加原理不適用于穩(wěn)定問題。（3）穩(wěn)定問題不必區(qū)分靜定和超靜定結構。對應力問題，靜定和超靜定結構內力分析方法3用上述理想軸心壓桿的情況來描述鋼結構的失穩(wěn)現(xiàn)象是不夠的，鋼結構的失穩(wěn)現(xiàn)象就其性質而言，可以分為三類穩(wěn)定問題。1.2.1分支點失穩(wěn)分支點失穩(wěn)理想的（即無缺陷的、筆直的）軸心受壓桿件和理想的中面內受壓的平板的失穩(wěn)（屈曲）都屬于分支點失穩(wěn)。也稱平衡分岔失穩(wěn)，或稱第一類失穩(wěn)。

9、圖1.3a為一理想軸心受壓構件，當軸向壓力PPcr時，壓桿沿軸向只被壓縮Δc，桿始終處于直線平衡狀態(tài)，稱為原始平衡狀態(tài)。此時如果在其橫向施加微小干擾，桿件會呈微彎曲狀態(tài)而偏離原平衡位置，但是撤去此干擾后，壓桿立即恢復到原直線平衡狀態(tài)。可見，原始平衡狀態(tài)具有唯一的平衡形式。當P=Pcr時，壓桿會突然彎曲，該現(xiàn)象稱為喪失穩(wěn)定，或稱為屈曲。如圖1.3b所示，構件由原來挺直的平衡狀態(tài)轉變到微彎曲的平衡狀態(tài)。從圖1.3c表示的荷載（P）—位移（δ

10、）曲線中可以看出，當荷載到達A點后，桿件可能有兩個平衡路徑，即直線AC和水平線AB（AB’），A點稱為兩個平衡路徑的分支點，或分岔點。由于在同一個荷載點出現(xiàn)了平衡分支現(xiàn)象，所以將此種失穩(wěn)現(xiàn)象稱為分支點失穩(wěn)。（a）原始平衡（b）臨界平衡（c）P—δ曲線圖1.3理想軸心受壓構件分支點失穩(wěn)又可以分為穩(wěn)定分支點失穩(wěn)和不穩(wěn)定分支點失穩(wěn)兩種。1.穩(wěn)定分支點失穩(wěn)穩(wěn)定分支點失穩(wěn)圖1.3c所示荷載—位移曲線是根據(jù)小撓度理論分析得到的，如按大撓度理論分析，

11、軸心受壓構件屈曲后，荷載隨橫向位移加大而略有增加，但橫向位移的增長速度遠大于軸向力的提高速度，如圖1.4b所示。軸心壓桿屈曲后，荷載—位移曲線是AB或AB’，這種平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的，屬于穩(wěn)定分支點失穩(wěn)。由于壓桿因彎曲變形而產生彎矩，在壓力和彎矩的共同作用下，桿件最大彎矩作用截面邊緣纖維先屈服，隨著塑性發(fā)展，壓桿很快就達到承載能力極限狀態(tài)，即極限荷載Pu與屈曲荷載Pcr相差很小，因此，軸心受壓構件屈曲后強度并不能被利用。對圖1.5a所示四邊