提高压杆稳定性的措施

提高压杆稳定性的策略

首先援引课本中的“压杆稳定性的概念”：

“在第二章研究受压直杆时，认为其之所以破坏是由于强度不够造成的，即当横截面上的正应力达到材料的极限应力时，压杆就发生破坏。实践表明，这对于粗而短的压杆是正确的，但对于细长的压杆，情况并非如此。细长压杆的破坏并不是由于强度不够，而是由于荷载增大到一定数值后，不能保持其原有的直线平衡形式而失效。”

故“提高压杆稳定性”即“令受压杆件能够更好地保持其原有的直线平衡形式”，表观上体现为“提高压杆临界力”。由临界力公式

()22cr L EI F μπ=

其中

π为圆周率

E 为压杆材料的弹性模量

I 为压杆截面的形心主惯性矩

μ为长度因数

L 为压杆长度

杆件又分细长杆（大柔度杆）、中长杆（中柔度杆）、和短杆（小柔度杆）短杆实际上发生的是强度破坏。

故要使cr F 增大，可以采取以下措施：

①采用合理的材料制作压杆（选择合适的E ）。选择弹性模量高的材料，如优质钢，各种复合材料等。但是由于各种钢材的弹性模量相差不大，所以当细长压杆要选用钢材时，仅仅出于稳定性的要求而选用高强度钢材制作细长压杆是不经济的；对于中长杆采用高强度材料才能够比较明显地提高稳定性。 ②采用合理截面形式（使m in I 增大）。由于杆件一般处于空间受力状态或双向平面受力状态，故压杆稳定性总是受限于稳定性最差的一个方向，即决定于截面的m in I 。当截面面积不变时，可改变截面形状，尽量使其形心主惯性矩相等或相近，这样压杆在各个方向就具有相近的稳定性，下面举例说明：

由两个槽型钢组成的截面，左边的截面形式若间距控制得不好，会使得Y Z I I ≠，若将其换成右边的形式则可使得Y Z I I ≈，更有利于维稳。

z

Y

Y

而在截面形心主惯性矩相等或相近的前提下，可保持截面面积不变，增大I 值。如将实心圆截面改为面积相等的空心圆截面就更合理。

而从截面角度出发提高整体稳定性的方法还有：添加缀条。

使用添加缀条的方法提高组合压杆的整体稳定性时，需要注意使每个分支都和整体具有相同的稳定性，设计才是合理的。否则，由于分支也是压杆，若某一分支稳定性较弱，发生失稳，将会导致整体失效。

③减小相当长度和增强杆端约束（使L减小，μ减小）。压杆的稳定性随杆长的增加而降低，因此应尽量降低杆的相当长度，例如在杆中间设置中间支承。另，将杆端约束增强，可减小长度因数μ值，亦可增强杆件稳定性。例如在支座处焊接或铆接支撑钢板；将固定铰支座增强为固定端；在不同受力方向采用相同约束等。

工程上，有许许多多重大事故就是因为工程师在设计结构时没有对压杆稳定性有足够的认识或重视造成的。当今，由于钢结构建筑的各种优异性能，世界各地大范围地采用各种钢结构设计、建造各种钢结构建筑，如鸟巢等。然而，稳定问题是钢结构最突出的问题。长期以来，许多工程技术人员对强度概念认识清晰，对稳定概念认识淡薄，并且存在着强度重于稳定的错误思想。因此，人们在大量的、连接不断的、令人措手不及的钢结构失稳事故中付出了惨痛的代价，得到了严重的教训。钢结构的失稳事故分为整体失稳事故和局部失稳事故两大类，其各自产生的原因如下：

整体失稳事故原因：

1．设计错误

设计错误主要与设计人员的水平有关。如缺乏稳定概念；稳定验算公式错误；只验算基本构件稳定从而忽视整体结构稳定验算；计算简图及支座约束与实

际受力不符，设计安全储备过小等等。

2．制作缺陷

制作缺陷通常包括构件的初弯曲、初偏心、热轧冷加工以及焊接产生的残余变形。各种缺陷将对钢结构的稳定承载力产生显著影响。

3．临时支撑不足

钢结构在安装过程中，当尚未完全形成整体结构之前，属几何可变体系，构件的稳定性很差。因此必须设置足够的临时支撑体系来维持安装过程中的整体稳定性。若临时支撑设置不合理或者数量不足，轻则会使部分构件丧失稳定，重则造成整个结构在施工过程中倒塌或倾覆。

4．使用不当

结构竣工投入使用后，使用不当或意外因素也是导致失稳事故的主因。例如：使用方随意改造使用功能，改变构件受力，由积灰或增加悬吊设备引起的超载，基础的不均匀沉降和温度应力引起的附加变形，意外的冲击荷载等。

局部失稳事故原因分析

局部失稳主要针对构件而言，失稳的后果虽然没有整体失稳严重，但对以下原因也应引起足够重视。

1．设计错误

设计人员忽视甚至不进行构件的局部稳定验算，或者验收方法错误，致使组成构件的各类板件宽厚比和高厚比大于规范限值。

2．构造不当

通常在构件局部受集中力较大的部位，原则上应设置构造加劲肋。另外，为了保证构件在运转过程中不变形也须设置横隔、加劲肋等，但实际工程中，加劲肋数量不足、构造不当的现象比较普遍。

3．原始缺陷

原始缺陷包括钢材的负公差严重超规，制作过程中焊接等工艺产生的局部鼓曲和波浪形变形等。

4．吊点位置不合理

在吊装过程中，尤其是大型的钢结构构件，吊点位置的选定十分重要，由于吊点位置不同，构件受力状态不同。有时构件内部过大的压应力将会导致构件在吊装过程中局部失稳。因此，在钢结构设计中，针对重要构件应在图纸中说明起吊方法和吊点位置。

失稳事故的防范

一．设计人员应强化稳定设计理念

防止钢结构失稳事故的发生，设计人员肩负着最重要的职责。强化稳定设计理念十分必要。

二．制作单位应力求减少缺陷

在常见的众多缺陷中，初弯曲、初偏心、残余应力对稳定承载力影响最大，因此，制作单位应通过合理的工艺和质量控制措施将缺陷减低到最小程度。

三．施工单位应确保安装过程中的安全

施工单位只有制定科学的施工组织设计，采用合理的吊装方案，精心布置临时支撑，才能防止钢结构安装过程中失稳，确保结构安全。

四．使用单位应正常使用钢结构建筑

一方面，使用单位要注意对已建钢结构的定期检查和维护，另一方面，当需要进行工艺流程和使用功能改造时，必须与设计单位或有关专业人士协商，不得擅自增加负荷或改变构件受力。

总之，通过各方的共同努力，钢结构失稳事故可以从根本上得到解决。

典型事故实例

加拿大魁北克大桥因失稳而坠毁

1907年，在加拿大境内首次建造跨越Quebec河的三跨悬臂桥，该桥的两个边跨各长152.4m，中跨长548.64m，中跨包括了由两个边跨各悬伸出的长度为714.45m的杆系结构。岂料在架桥过程中，悬伸出的由四部分分肢组成的格构式组合截面的下弦压杆，因新设置的角钢缀条过于柔弱，四个角钢缀条总的截面积只占构件全截面面积的 1.1%。因此缀条不能有效地将四部分分肢组成具有足够抗弯刚度的受压弦杆，组装好的钢桥在合龙之前，挠度的发展已无法控制，分肢屈曲在先，随之弦杆整体失稳，9000t中的钢桥全部坠入河中，有75名员工遇难。该桥重建时，曾于1916年因施工问题又一次发生倒塌事故。

影剧院网架屋盖失稳事例

一．工程概况

乌恰县影剧院是由门厅、观众厅和舞台三部分组成(图7.8、7.9)，观众厅屋盖为平面尺寸27m×24m、高度2.667m的正放四角锥螺栓球节点网架，观众厅外墙由柱距为3.0m的钢筋混凝土柱和砖砌体组成，柱顶标高为10.5m，观众厅屋盖网架在轴线②的一端与舞台屋面大梁支承于同一水平，且共同位于台口大梁上的小立柱上(图7.10)，而网架在轴线⑧的一端则位于门厅框架之上。

图7.8 影剧院平面

图7.9 影剧院剖面

图7.10 舞台边网架支座构造示意