结构失稳的基本类型

1结构失稳的基本类型钢材具有高强、轻质、力学性能良好的优点，是制造结构物的一种极好的建筑材料。钢结构与在建筑结构中应用广泛的钢筋混凝土结构相比，对于充任相同受力功能的构件，具有截面轮廓尺寸小、构件细长和板件柔薄的特点。对于因受压、受弯和受剪等存在受压区的构件或板件，如果技术上处理不当，可能使钢结构出现整体失稳或局部失稳或局部与整体的相关失稳。失稳前结构物的变形可能很小，突然失稳使结构物的几何形状急剧改变而导致结构物完全更新换代抵抗能力。因此稳定问题是钢结构的突出问题。防止构件或结构的稳定破坏并非使它们的实际应力低于某规定值，而是要防止一种特殊的不稳定平衡状态发生。这种状态的特征是：当荷载仅有微量增加时，应变显著增长。可以认为：构件或结构的失稳破坏是它们内部抗力的突然崩溃，这就是钢结构屈曲现象的特征，不论发生破坏时构件的工作属于弹塑性或弹性工作阶段，破坏特性完全相同。由于结构或构件的失稳破坏比较突然，屈曲一旦发生，结构随即崩溃，因而远比强度破坏危险。这从很多实际工程事故实例中可以得到证实。因而从事钢结构设计的工作者们，对钢结构的稳定问题应予特别的重视，要掌握稳定问题的本质和规律以及正确的计算方法，从而避免工程中的失稳破坏。钢结构构件失稳的现象是多种多样的，从性质上可分为三类。平衡分岔失稳完善的（即无缺陷、挺直的）轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板的失稳都属于平衡分岔失稳问题。当压力P未超过一定限制时，构件保持平直，截面上只产生均匀的压应力。当压力达到一特定的限值EP时，构件会突然发生弯曲，由原来轴心受压的平衡形式转变为与之相邻的但是带弯曲的新的平衡形式。这一过程可用图1中的荷载－侧移曲线（也称为平衡状态曲线）OAB来表示。在A点发生的现象称为构件屈曲。由于在该处发生了平衡形式的转移，平衡状态曲线呈现分枝现象，所以称为平衡的分枝，相应的荷载值EP称为屈曲荷载或平衡分枝荷载。2极值点失稳偏心受压构件从一开始其侧移即随荷载的增加持续增大。其后由于塑性区的发展，侧移的增大愈来愈快。最后达到极限荷载uP（图1中的C点）。此后，荷载必须逐渐下降，才能继续维持内外力的平衡。由此可见，这类稳定问题与平衡分岔失稳具有本质的区别。它的平衡状态是渐变的，不发生分岔失稳现象。它失稳时的荷载uP也就是构件的实际极限荷载，故称为极值点失稳。实际的轴心受压构件因为都存在初始弯曲和荷载的作用点稍稍偏离构件轴线的初始偏心，因此其荷载挠度曲线也呈现极值点失稳现象。这种稳定问题的求解通常是考虑初始缺陷，设法找出荷载全过程的位移关系，求得荷载－位移曲线，包括曲线的上升段和下降段，从而得到极限荷载uP。这个途径比较复杂，要同时考虑材料和几何非线性，很难求得闭合解，常用计算机进行数值分析求出近似解。图1平衡分岔失稳和极值点失稳跃越失稳如图2所示的两端铰接较平坦的拱结构，在均布荷载q的作用下有挠度w，其荷载曲线也有稳定的上升段OA，但是达到曲线的最高点A时会突然跳跃到一个非邻近的的具有很大变形的C点，拱结构顷刻下垂。在荷载挠度曲线上，虚线AB是不稳定的，BC段是稳定的而且一直是上升的，但是因为结构已经破坏，故不能被利用。与3A点对应的荷载crq是坦拱的临界荷载，这种失稳现象就称为跃越失稳。图2跃越失稳可见，区分结构失稳类型的性质十分重要，只有这样我们才能正确的估计结构的稳定承载力。