定性结构力学工程实践

定性结构力学工程实践（精选4篇）

定性结构力学工程实践 篇1

1 研究背景

某水电站泄水建筑物采用岸边开敞式溢洪道, 其堰顶设置弧形工作闸门进行挡水及控制开度进行泄洪, 弧形闸门设计水头21.2m, 门体尺寸为1 521.5m (宽高) , 属于大型弧形闸门。闸门底槛高程1 834.80m, 支铰高程1 855.20m, 面板弧面半径22m, 支铰间距13.0m, 吊耳布置在下主梁的两端, 吊点距离13.7m。弧门采用23 600kN后拉式液压启闭机操作, 为增加闸门的刚度和整体性, 弧门梁系采用实腹式齐平连接。

该弧形闸门在结构上按双主横梁斜支臂布置, 门体尺寸较大, 支铰中心高程较高, 弧面曲率半径较大, 且需要在淹没的条件下进行全开、全关及局部开启运行。目前弧形闸门的设计通常采用平面假定体系, 而弧形闸门本身是一个复杂的空间结构, 其实际受力状态与平面假定的计算结果有一定的偏差, 因此有必要对弧形闸门做三维结构分析, 为弧形闸门设计提供依据, 力求闸门结构设计科学、合理、安全、经济。

2 弧门构件材料及容许应力

弧门板材为Q345C, 型钢采用Q235B, 铰链和铰座为ZG310-570, 支铰轴为40Cr, 侧止水采用L型水封橡皮, 底止水采用I142-20型水封橡皮, 水封橡皮材质均为SF6674橡胶。钢材弹性模量E=2.06×105 MPa, 泊松比µ=0.3, 质量密度ρ=7.85×103 kg/m3;闸墩弹性模量E=2.8×104 MPa, 泊松比µ=0.167, 质量密度ρ=2.5×103kg/m3。

按《水利水电工程钢闸门设计规范 (DL/T5013-95) 》, 闸门构件容许应力见表1。

3 研究方法

采用三维有限元法对弧门结构在各种运行工况下的响应进行计算分析, 按应力标准对各构件的稳定状况进行评价。该弧门有限元模型是由板壳单元、梁单元、3D实体单元及接触单元联结组成的空间体系。有限元网格图如图1。

弧门质量共295t, 其中不包括启闭杆、支铰部位的质量。

边界约束处理方面:为模拟侧水封与闸墩间的摩擦效应, 取闸墩厚度为10倍的止水厚度, 且水封与闸墩内侧做接触处理, 接触面摩擦系数0.5, 闸墩外边界采用全约束处理 (即不发生三方向位移) ;为实现启闭门时的临界状态, 在弧门底部与堰顶间做接触处理, 接触面摩擦系数0.5;支铰与转轴间同样按接触处理, 接触面摩擦系数0.15, 支铰两侧采用全约束处理;启闭杆顶部及启闭杆与吊耳间采用约束函数处理, 即约束节点三方向位移, 但同时可以旋转。

分析中考虑的荷载有为弧门面板及侧水封上的水压力、弧门自重及启闭过程中的启闭力。弧门启门力为使弧门开启, 液压启闭机作用在启闭杆上的拉力。在启门瞬时工况中, 启门力即为使弧门底部与堰顶接触面间接触力处于零时的临界状态下启闭杆作用力, 对于本工程, 此时启门力最大, 启闭机设计容量可参考此值。弧门闭门力是闸门关闭过程中液压启闭机作用在启闭杆上的压力, 在闸门处于全关状态时闭门力理论上最大 (本工程) , 在有限元计算中, 闭门力最大值即为使弧门底部与堰顶接触面间的接触力处于非零的临界状态时的启闭杆作用力。

4 计算工况

根据闸门设计基本参数, 采用三维有限元法对闸门结构的静、动力特性进行数值分析, 计算工况如表2。

5 研究结果

5.1 静力分析结果

5.1.1 门前无水情况

门前无水的情况下, 荷载主要是门体自重。通过分析, 弧门主要构件最大变位及最大等效应力状况如表3, 对应的启门瞬间工况下弧门主要构件最大变位及最大等效应力状况如表4, 经过计算可知, 门前无水工况下启门瞬间的启门力为2300, 弧门在自重作用下, 弧门面板与堰顶的竖直向接触力为1830kN, 说明弧门在本身自重的作用下可以完成关闭, 无需闭门力。

5.1.2 正常挡水工况

弧门在正常挡水工况下, 作用在弧门上的荷载有结构自重和水压力, 水压力作用方向为垂直于弧门面板表面指向支铰中心线。通过分析, 该工况弧门主要构件最大变位及最大等效应力状况如表5, 对应的启门瞬间工况下弧门主要构件最大变位及最大等效应力状况如表6。经过计算, 正常挡水工况下启门瞬间的启门力为3 360kN, 弧门在自重作用下, 弧门面板与堰顶的Z向接触力为1 240kN, 说明弧门在本身自重的作用下可以完成关闭, 无需闭门力。

5.1.3 闸门全开工况

闸门全开工况下, 作用在弧门上的作用力主要是弧门自重和启闭杆的持门力。通过分析, 该工况下的弧门应力及持门力进行了计算自重作用下弧门顶部变位最大, 为5.6mm;全开工况下, 弧门整体等效应力不大, 最大值75MPa, 发生在吊耳腹板与竖梁的连接处。另外, 经过分析, 全开工况弧门持门力为2 282kN, 即启闭杆的轴向作用力。

5.2 动力分析结果

泄流激起的闸门振动问题是一个涉及水流与结构两方面的复杂问题, 水工弧形闸门本身是一个复杂的空间结构, 一般由面板、梁格及支臂构成。根据闸门的结构特点, 三大部件的抗弯刚度为:I杆

虽然启闭杆自振频率较低, 容易和外界发生共振, 但是即使启闭杆发生动力失稳, 也不会导致闸门的整体破坏。而对于支臂而言, 支臂一旦发生动力失稳, 则后果不堪设想, 整个闸门将受到毁灭性破坏。所以弧形钢闸门的动力失稳往往是由于支臂在动力荷裁作用下丧失稳定所致, 虽然支臂不直接与水接触, 但是激振力可由门叶传来, 当激振力和支臂自振频率之间存在某种特定关系时, 就可能激起参数共振, 使支臂丧失动力稳定。

自振特性计算按不考虑库水影响 (干模态) 和考虑库水影响 (湿模态) 两种情况分别计算, 对于干模态或是湿模态, 分析不同开度对振型、频率的影响, 开度分别为全关、0.5m、1m、2m、4m、8m、16m及全开状态。

水流与结构的相互作用是一个复杂的流激振动体系, 目前处理这个体系有两种方法:流固耦合法和附加质量法, 为减少计算规模及加快计算速度, 本文采用后者, 即附加质量法。根据《水工建筑物抗震设计规范》 (DL5073-2000) , 附加质量按下式进行计算:

其中Mb为水平向附加质量 (kg) , ρ为水体质量密度, 取1000kg/m3, H0为门前水深 (m) , h为计算点水深。

在有限元模性中, 弧门面板被梁系分为若干区隔, 计算附加质量时, 取各区隔中心水深进行计算, 然后将质量附加到区隔各单元节点上。

通过动力分析, 得出如下结论:

1) 前20阶频率值最低为1.174Hz, 最高为17.84Hz;2) 起闭杆自振频率较低, 最容易发生共振, 不同开度下起闭杆基频范围为1.174Hz~3.274Hz;3) 不考虑库水影响时, 随开度的增大, 低阶频率值有所增大, 高阶频率值几乎不变, 考虑库水影响后, 各阶频率值均有所增大;4) 各阶频率值在考虑库水影响后均有所降低, 且随开度的增大, 库水影响程度降低, 尤其是低阶频率。

6 结论

1) 从静力分析位移结果可以看出, 结构最大位移发生在启闭杆上, 约130mm, 发生在下面细实杆的上部;面板在正常挡水工况起门瞬时结构变位最大, 为24.3mm, 发生在下主横梁下方面板区隔内;总体来说, 弧门变位规律正常, 变位量不大2) 从静力分析应力结果可知, 正常挡水工况起门瞬时结构应力最大, 为190MPa, 发生在支臂腹杆与竖梁的连接处;各工况下弧门结构各部位构件应力均能满足材料强度要求;3) 不考虑安全系数的前提下, 单个启闭杆启门力门正常挡水工况最大, 为3 360kN, 启闭机容量设计可参照此值选取;4) 各种工况下, 弧门靠结构自重可以完成关闭, 无需施加闭门力;5) 动力分析结果表明, 弧门自振频率随开度的增大而增大;不考虑库水影响时, 前20阶最大频率为17.84Hz (全开工况) ;考虑库水影响后, 同阶自振频率略有降低;6) 侧止水带在正常挡水工况起门瞬时变位最大, 变位为18.7mm, 对应的等效应力为0.46MPa, 弧门侧水封设计可参考该数值。

通过对该电站溢洪道弧形闸门的结构研究, 对闸门设计进行了验证, 同时对液压启闭杆需施加竖向支撑、启闭机容量选择、弧门侧水封设计起到了指导意见。目前, 该闸门已投入使用, 运行状况良好。

参考文献

[1]水力水电工程钢闸门设计规范 (DL/T5013-95) .

[2]钢结构设计规范 (GB50017-2003) .

[3]水工建筑物荷载设计规范 (DL5077-1997) .

定性结构力学工程实践 篇2

建筑工程项目中钢结构设计原则在稳定性上的体现主要包含以下三点[1]:一是组成部分以及整个体系的这样两个不同层面的稳定, 二是剪力调整, 三是强柱弱梁的设计。通常都可以通过这样三个方面的设计来保证钢结构构件在建设以及使用过程当中都不会发生不良的失稳状况。

1各个层面保证稳定性

钢结构显著的优势和特点就是性能出众, 同时也正是这样一个特点决定了其前期的工艺设计是十分复杂的, 设计师不仅需要非常专业的数据统计, 同时还需要对钢结构的各项技术指标进行严密的检测和测试, 只有在各个方面完全达标以后才能够将质量达标的钢结构投入到大批量的生产和使用当中去。与钢结构相关的技术参数较多, 包括水平载荷系数、抗震强度或者是结构的阻尼比等, 这里以水平载荷系数为例来进行说明, 建筑只有处于完全理想状态之下水平载荷才会为零, 但这在现实环境下是不可能实现的, 风载荷等都会从不同程度上在水平方向上对建筑的稳定性产生影响, 正是因为这样一些客观状况, 设计师就一定要根据当地的实际环境情况来对水平荷载系数进行设计, 最终避免建筑因为稳定性的原因而产生坍塌。

2剪力调整问题

剪力调整问题也是钢结构稳定性设计过程当中需要高度关注和重视的一个问题, 这主要是因为随着我们国家经济水平和技术水平的持续提高, 建筑楼层越来越高, 建筑形式也越来越复杂, 斜柱或者是不对称结构等异形结构出现的频率非常之高, 这毫无疑问是对建筑稳定性设计提出了更高的要求。目前为止, 我们国家在进行建筑设计时多采用简化的方式来进行处理, 如垂直构件简化为柱子, 斜构件简化成斜杆等, 通常情况下这样一种简化并不会产生太大的问题, 但是在进行框架柱剪力调整时就会有非常严重的影响, 这主要是由斜柱的特点和作用来决定的, 斜柱主要还是用作水平方向的支撑, 但仍然需要承受竖直方向上一定的载荷, 这样一部分载荷产生的剪力是不能够忽略的, 因此, 剪力调整问题的良好处理将在相当大程度上提升钢结构设计的稳定程度。

3强柱弱梁的设计

强柱弱梁强调的是建筑设计中柱和梁的总体性问题, 这主要是因为钢结构在面临较大的载荷时需要塑性铰出在梁上而不是柱子上, 这样才能够保证钢结构整体在使用过程当中不会发生瞬间破坏, 且在经过一定的外力作用后仍然能够在较短的时间内迅速恢复初始形态。国家标准对于这样一些方面有明确要求和规定, 强柱弱梁的设计必须对其弹塑性进行计算和分析, 只有满足上述要求时才能够认为其合格可用。

二、钢结构稳定性设计的特点分析[2]

钢结构设计除了应当遵守基本的国家规范、章程以外, 还需要和建筑设计工作进行紧密的联系和配合, 具体来说, 就是要充分而全面的考虑到建筑的设计高度、抗震强度等多方面的因素, 结合建筑自身的特点、使用功能、施工条件、环境条件、施工水平、荷载种类和性质、材料质量与发展水平等多方面客观条件, 最终尽可能的选择出最优化的结构体系设计来, 经济合理的同时保证安全高效。下文当中先简要说明钢结构稳定设计的特点。一是钢结构自身多样性, 根据建筑实际用途, 通常会对钢结构有不同程度的安全要求和形式要求, 而这样一些要求的满足都需要从钢结构的设计当中体现出来, 在对多种多样钢结构形式进行考虑和设计时, 还是有迹可循的, 通常来说, 无论什么样形式的钢结构, 在对其进行设计的过程当中都需要特别注意其相关受压部位, 基于此来探究和分析钢构件的稳定性;与此同时还需要注意的事, 即便部分钢结构本身不受压, 但是如果由于外力作用导致钢结构变形的话, 也同样还是会导致钢结构由不受压转变成为受压, 这一点也是要考虑在内的。其次就是钢结构自身具有整体性, 这样一点是毫无疑问的, 单一的钢构件完全不可能在大型建筑当中发挥作用, 因此都是通过科学的连接方式以整体的形式来保障安全性, 这意味着对钢结构稳定性进行分析需要从整体角度来看, 但仍然需要关注其微观层面, 包括部分内部结构, 包括单一钢构件的受损状况等, 尽可能避免钢结构的安全稳定性因小失大[3]。最后就是钢结构相关性的特点, 其实这一点和钢结构的整体性是息息相关的, 正是因为钢结构整体性, 所以其内部结构之间功能作用的发挥和安全稳定的保障都是息息相关的, 部门部件的不安全因素将导致整体的安全威胁。尤其需要注意的事, 钢结构依靠各种连接方式连接到一起, 其连接部位是否存在缺陷是尤其需要注意的, 否则影响面广, 对整体的影响更为复杂和难以排除。

三、钢结构稳定性设计的影响因素

钢结构稳定性设计原则的提出实际上就是基于钢结构稳定性设计的具体特点, 因此下文中进一步探究钢结构稳定性设计的特点, 具体包括三个方面:一是整体刚度与钢结构失稳之间的关系, 这样两者之间的关系十分密切, 钢结构刚度好坏直接由其整体构成来决定, 正是因为这样, 钢结构稳定性就成为了钢结构的重要问题。二是钢结构的整体稳定性问题, 上文当中已经明确指出, 无论是钢结构整体还是钢结构的组成部分, 其性能都会对钢结构整体稳定性产生较大影响, 因此在实际建设过程当中, 在对钢结构稳定性问题进行处理时, 就要把握整体观念, 并于此同时关注结构内部各个层面的状况, 如发现钢结构内部出现细小变形, 就要考虑到这非常有可能对钢结构的整体内力分布带来影响, 最终影响整体的承载能力。最后就是钢结构稳定具有相关性的问题, 同样是需要设计师予以一定关注的。

四、钢结构稳定性的具体分析方法

在对钢结构稳定性问题进行研究和分析时, 都是基于外荷载作用的前提之下进行的, 因此对变形以及对结构或构件失稳的必须同步进行, 下文当中提出两种常见的有效方法:一是静力法, 所谓静力法, 实际上就是利用静力平衡方法, 结合已经发生了微小变形的钢结构受力条件来建立平衡微分方程, 基于此获得临界载荷, 从而对钢结构的稳定性进行确定。二是动力法, 动力法主要针对处于平衡状态的结构体系, 这样一种体系如果施加微小的干扰就会使其发生振动, 且这样一种条件之下结构变形或者是振动加速度都和结构荷载有密切关系, 当荷载比极限荷载值低时, 加速度方向与变形方向相反, 而荷载去除运动变为静止, 则结构又恢复到平衡状态。

结语:社会经济发展迅猛, 我国建筑行业也长期处于良好的发展势头当中, 而建筑行业飞速发展状态下安全问题也不容小视, 建筑设计师必须要在这样一个方面做足功夫。建筑中钢结构稳定性设计问题, 绝非简单的在施工阶段付诸行动即可, 而是需要从设计阶段就开始做好各个方面的工作, 是一项责任十分重大的任务, 直接关系到人民群众的生命和安全, 以及整个建筑工程本身的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]吴文德.浅析钢结构的稳定性设计[J].吉林工程技术师范学院学报, 2012 (5)

[2]陈铭, 何莉莉.浅谈钢结构稳定性设计[J].山西建筑, 2012 (2)

定性结构力学工程实践 篇3

1.1钢结构设计防火方面的问题及对策

钢结构建筑主要采用的建筑材料为钢材, 属于不易燃材料, 但是钢材又具有不耐高温的特点, 一旦温度达到相应程度, 钢材会出现断裂情况, 从而对整个钢结构建筑产生巨大的安全隐患, 所以对钢结构建筑产生最大威胁的就是火灾, 若是在进行钢结构设计时没有充分考虑这一因素, 导致防火方面存在缺陷, 那么必将造成严重的后果。钢结构建筑发生火灾而造成巨大的经济损失和人员伤亡例子也很多, 因此, 在钢结构建筑设计时必须充分考虑其防火问题。钢结构建筑在防火性能上要弱于钢筋混凝土结构建筑, 通常在钢结构建筑设计中采用的防火措施有以下两种:第一种, 采用保全板, 将其合理设置在钢结构建筑中, 以此起到防火作用;第二种, 在钢结构的不同部位涂抹厚薄不均的防火涂料, 并采用装饰漆涂抹露明部位。当然这只是常规的方法, 为了更好地确保钢结构防火性能的提升, 就必须加强防火墙、防火门的设置, 并配备自动喷水灭火系统和独立的水幕以及防火带等进行防火分区的设置, 并在此基础上加强防火涂料的应用, 以达到对钢材进行防火保护的目的, 且在火灾探测报警技术和烟气控制技术的帮助下及时的发现和处理可能出现的火灾, 确保其防火性能得到有效的提升。

1.2钢结构设计防腐方面的问题及对策

钢材受自然因素影响较大, 一旦长时间暴露在室外环境中, 就极易被锈蚀, 不仅钢材的外观会深受影响, 钢材的质量也会大打折扣。因此, 在钢结构建筑设计中钢材防腐问题也是必须引起高度重视。当前, 钢结构建筑设计中对于防腐方面问题的解决方法通常是采用涂抹防腐涂料的措施。设计人员会根据钢结构建筑的要求选用合适的防腐涂料, 并要求施工人员在施工中严格按照相关要求规范进行操作。此外, 对于钢结构构件也有不同的要求, 例如有的构件在出厂前需要涂刷一层底漆。在钢材上涂抹防腐涂料就目前来看是最为有效的防腐措施。但是这样做只是基础性的防腐, 因而为了提高钢结构的防腐效果, 就必须选用耐候钢作为钢结构建筑的首选材料, 并利用热浸镀锌技术对其进行处理, 利用镀层, 达到保护钢结构不被腐蚀, 尤其是应加强有机涂料配套技术的应用, 以及阴极保护技术的应用, 才能更好地确保其防腐性能得到有效的提升。

1.3钢结构设计在物理方面的问题及对策

1.3.1噪声问题及对策

噪声问题是现代建筑中最为常见的问题之一, 且一直没有得到彻底的解决。怎样有效降低噪声已经成为当前建筑学中的重要研究课题之一。人类耳朵能够听到许多种声音, 而这些声音又大致能够分为两类, 一类是无害悦耳的声音, 例如音乐声、鸟鸣声等;另一类则是有害的噪声, 例如各种机械发出的轰鸣声, 刺耳的喇叭声等。一般情况下, 建筑使用功能的不同对隔音的效果要求也不同, 例如大型商场建筑, 其隔音效果要求较低;寻求安静的住宅建筑隔音效果要求就较高, 这就需要设计人员根据建筑使用功能以及隔音效果的不同要求进行专门的设计。在钢结构建筑设计中所采用的隔音措施主要有:使用隔声门、隔声窗, 并在建筑或需隔音的房间外墙上使用隔声性能较好的材料。

根据建筑使用功能的不同, 其对吸音的效果要求也不相同。例如音乐厅类型的建筑, 其主要使用功能就是让人类的耳朵吸收发出的音乐声, 所以在音乐厅类型的建筑中通常会在顶棚增加反射板用来反射声音, 若是音乐厅中的声音无法反射, 那么人类的耳朵所听到的声音就会有缺失, 甚至是听不到声音。当前, 解决吸音问题的主要措施有两种:第一种是科学的设计吸声结构, 例如孔石膏板吊顶。第二种是采用先进的吸声材料, 例如玻璃、岩棉等吸声性能较好的材料。

2 建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点

2.1 建筑工程中钢结构稳定设计的特点

建筑工程中钢结构稳定设计的特点主要表现为:第一, 钢结构的多样性。建筑工程中钢结构设计方面的问题直接影响着钢结构的稳定性, 特别是承荷载力大的钢结构部位, 在进行这类钢结构部位设计时必须进行多方面的考虑, 并对钢结构的稳定性进行认真分析、探究。第二, 钢结构的整体性。钢结构建筑是由多种构件共同组成的一个整体, 任何一个构件所具有的作用都是不容忽视的, 若是当任意一个构件出现问题, 例如失稳、变形等情况, 那么必定会对其他构件造成影响, 最终导致钢结构整体稳定性出现问题[1]。

2.2 钢结构稳定性的计算方法

(1) 整体刚度计算。在现行的钢结构计算规范中, 通用的计算方法是轴心压杆稳定计算方法, 其主要采用是折减系数方法和临界压力求解法。其中, 临界压力由欧拉公式给出。 (2) 整体稳定性分析。钢结构建筑是由多种构件共同组成的一个整体, 其整体稳定性受各种构件的制约较大, 各构件之间是否具有良好的稳定性, 是确保钢结构整体稳定性的前提基础。所以, 应对其整体稳定性进行分析。 (3) 其他特点的稳定计算。钢结构的各种组成构件又能分为两大类, 为弹性构件和柔性构件, 因而, 在进行钢结构稳定性时应重视这一特点。由于柔性构件容易发生变形, 进而导致钢结构内部也发生变化, 最终对钢结构整体稳定性产生严重的影响, 所以, 必须重视柔性构件的分析。

2.3 钢结构稳定性的分析方法

(1) 静力法。静力法的分析原理是结合已经出现了微小变形后的一些结构受力的条件, 并根据这些条件来建立相对平衡的微分方程。通过建立的微分方程仔细的计算出构件受力的临界相关荷载。在实际中应用静力法构件平衡微分方程时, 应遵循相关设定, 具体表现为:直杆构件应该为截面, 其压力应始终遵循之前的轴线进行作用。 (2) 动力法。当钢结构的结构体系处于平衡状态下时, 若是受到一定的干扰, 那么整个结构体系就会产生振动, 这时应采用动力法对钢结构的稳定性进行分析。钢结构整体稳定性与其所承受的荷载有着密切关联, 在钢结构出现变形以及钢结构振动加速时, 这种联系更加紧密。若是钢结构所承受的荷载值低于钢结构自身稳定性的极限荷载值时, 会出现加速度和之前的钢结构变形的具体方向相反的状况。 (3) 能量法。若是在实际应用中钢结构载着保守力并且已经具备结构变形的相关受力条件, 那么就能以此条件构建总体势能。如果要计算钢结构的总体势能, 则必须满足一个前提条件, 即钢结构处于相对平衡的状态下[2]。

3 结语

总之, 建筑工程的快速发展, 促使钢结构广泛应用于建筑工程中, 然而钢结构设计的稳定性直接影响着钢结构建筑的整体质量, 因此, 本文对建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点进行了认真分析与探讨, 希望能为所需者提供借鉴。

参考文献

[1]唐文智.建筑工程中钢结构设计的稳定性分析[J].城市建筑, 2013, 16:186.

定性结构力学工程实践 篇4

关键词：建筑工程,钢结构设计,稳定性

0 引言

随着我国建筑工程不断的发展, 钢结构设计稳定性问题也日益严峻。制定有效的稳定性设计方案能够维持建筑工程自身发展的需要。分析钢结构设计中所存在的问题, 制定有效的设计对策, 能够提升钢结构的稳定性, 更好地优化建筑结构, 提升建筑工程安全指数, 推动建筑工程行业可持续发展。

1 钢结构的概念

在建筑工程中钢结构主要是以钢材制作为主的结构, 是常用的建筑结构类型。在实际的运用过程中, 钢材的优点是整体刚性好、强度高、变形能力强等, 因此常用于构建超重型和大跨度的建筑比较合适。这种结构能够符合工程力学中的基本假定, 不仅材料韧性好, 而且在变形中还能够承受较大的动力荷载。建筑工程中为了缩短工期, 保障工作效率和工作质量, 采用钢结构进行构建是很有必要的。钢结构还应用于机械化较高的专业化生产中, 能够保证密闭性和精度性。

2 建筑工程中钢结构设计的稳定性分析

2.1 钢结构失稳的分类

第一类稳定问题或者具有平衡分岔的稳定问题 (也叫分支点失稳) 。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。

第二类稳定问题或无平衡分岔的稳定问题 (也叫极值点失稳) 。由建筑钢材做成的偏心受压构件, 在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力, 属于这一类。

跃越失稳不同于以上两种类型。它既无平衡分岔点, 又无极值点, 它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。

区分结构失稳类型的性质十分重要, 这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。随着稳定问题研究的逐步深入, 上述分类看起来已经不够了。设计为轴心受压的构件, 实际上总不免有一点初弯曲, 荷载的作用点也难免有偏心。因此, 要真正掌握这种构件的性能, 就必须了解缺陷对它的影响, 其他构件也都有个缺陷影响问题。另一方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。

2.2 钢结构稳定性的设计原则

在建筑工程中, 加强钢结构稳定性的设计是很有必要的。主要的设计原则有稳定性原则、统一性原则、配合性原则。

稳定性原则主要是钢结构在结构整体布置中要综合考虑整个体系以及组成部分的稳定性需求。目前结构大多数是按照平面体系来设计的, 如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致于出现平面失稳, 需要从结构整体布置来解决, 平面结构构件的平面稳定计算必须和结构布置相一致。

统一性原则主要是计算方法和计算结构简图要保持一致性。目前在设计单层和多层框架结构时, 经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时, 计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数, 自应通过框架整体稳定分析得出, 才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。

配合性原则主要是设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合, 使二者有一致性。

3 建筑工程中钢结构稳定性设计要点

3.1 荷载设计

在对钢结构的设计上, 主要是应该要以对称结构布置为主, 减少结构的扭转, 确保上下贯通, 从而保证建筑结构的刚度的连贯性且变化情况稳定。设计上应该将钢结构设置成L型或者是T型确保能够发挥钢结构的作用;钢结构的布置位置最好在结构的外围, 这样可以很好地增强建筑整体结构的抗扭曲形变作用。在结构的设计上面为了减少一些不必要的麻烦, 设计人员应该从结构的刚度、结构中心和几何的运用设计到同一个基准线上, 保证施工队严格按照设计标准进行施工, 确保钢结构的稳定性[1]。在扭转方面设计人员应该考虑到水平承载力所受的各种因素。当涉及稳定性能时, 构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如, 简支梁就抗弯强度来说, 对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移, 同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转, 同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲, 以符合稳定分析所采取的边界条件。

3.2防火设计

钢结构的防火设计主要是选择耐火材料和选用防火涂料。在建筑工程中, 钢结构防火设计应该根据工程项目的防火等级、防火种类和防火具体情况, 做好结构工程设计。在防火涂料的选择中应该选择较厚类型, 并且黏结的强度应该大于0.05MPa。对于外包防火材料的选择, 应该选择硬质的防火型板材。通过防火材料的选择, 在钢结构中填涂在节点部位, 加强节点部位的防火性, 保证工程结构整体防火指数[3]。在钢材的选择上应该选用耐火性的钢材, 如果在挑选的过程中, 不能够满足防火的标准, 可以选择薄型的耐火材料。在吊顶设计中, 压型板材不但要做好防火处理, 适当的防锈处理也是很有必要的。钢结构的防火设计中, 要结合相关的防火标准和防火等级, 来确定不同的设计方案, 从而确保项目工程整体防火水平。

3.3防腐设计

钢材的腐蚀类型一般分为两种, 一种是电化学腐蚀, 一种是化学腐蚀。这两种腐蚀都会导致钢材的强度和耐久性降低。在钢结构的设计中, 做好防腐设计工作是很有必要的。通过涂装防锈漆, 能够有效防止钢材腐蚀的情况[4]。考虑到建筑工程经济和施工情况, 在防腐设计上应该考虑保养、维护等情况, 从而确定半永久性涂装还是永久性涂装。在设计中做好钢材腐蚀等级的市场调查, 根据不同地区、不同环境, 制定不同的防腐方案, 从而推动建筑工程的有序进行。

3.4稳定性设计

失稳和整体刚度:现行规范通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法和折减系数法。

为了确保建筑工程的钢结构稳定性水平, 加强对钢材质量的检测是很重要的。在建筑工程中, 结合钢结构设计方案的要求, 对整体的结构框架进行分析, 确定临界值。当F=Fn时, 钢结构弯曲刚度趋向于零, 这就需要调整钢结构的稳定问题。在弹性稳定计算中, 除了需要考虑结构的整体性外, 还有一些其他特点需要引起重视。首先要做的就是二阶分析, 这种分析对柔性构件尤为重要, 这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响;其次, 普遍用于应力问题的迭加原理[4], 在弹性稳定计算中不能应用。

4 结语

综上所述, 在建筑工程中加强钢结构设计的稳定性与设计要点分析是很有必要的。通过制定有效的设计对策, 能够提升钢结构的稳定性, 更好地优化建筑结构, 提升建筑工程安全指数, 推动建筑工程行业可持续发展。

参考文献

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