建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)

1、1第一章第一章概述建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。前者指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載力或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形時(shí)的極限狀態(tài)；后者為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用的某項(xiàng)規(guī)定限值時(shí)的極限狀態(tài)[1]。鋼結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的承載能力極限狀態(tài)有：①結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因材料強(qiáng)度被超過而破壞；②結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；③整個(gè)結(jié)構(gòu)或其中一部分作為剛體失去平衡而傾覆；④結(jié)構(gòu)或構(gòu)件喪失穩(wěn)定；⑤結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過度塑性變形，不適于繼續(xù)承載；⑥在重復(fù)荷載下構(gòu)件疲勞斷裂。其中

2、穩(wěn)定問題是鋼結(jié)構(gòu)的突出問題，在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)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(shí)有發(fā)生。1.1鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞鋼結(jié)構(gòu)因其優(yōu)良的性能被廣泛地應(yīng)用于大跨度結(jié)構(gòu)、重型廠房、高層建筑、高聳構(gòu)筑物、輕型鋼結(jié)構(gòu)和橋梁結(jié)構(gòu)等。如果鋼結(jié)構(gòu)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(shè)橋的中跨橋架時(shí)，由于懸臂的受壓下弦失穩(wěn)，導(dǎo)致橋架倒塌，9000t鋼結(jié)構(gòu)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(gè)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(shè)置的支撐桿有偏心，不能起到預(yù)期的減少計(jì)算長度的作用，導(dǎo)致網(wǎng)架破壞[4]。20世紀(jì)80年代，在我國也發(fā)生了數(shù)起因鋼構(gòu)件失穩(wěn)而導(dǎo)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(jié)構(gòu)事故，其中17起事故是由于結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qiáng)震，持時(shí)長達(dá)180s，只隔36h又發(fā)生一次7.5級強(qiáng)余震。震后調(diào)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(yán)重屈曲（失穩(wěn)），橫向X形支撐交叉點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)破壞很嚴(yán)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(qiáng)烈地震中，鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)件，強(qiáng)度計(jì)算是基本要求，但是對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，穩(wěn)定計(jì)算比強(qiáng)度計(jì)算更為重要。強(qiáng)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(qiáng)度問題關(guān)注在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面上產(chǎn)生的最大內(nèi)力或最大應(yīng)力是否達(dá)到該截面的承載力或材料的強(qiáng)度，因此，強(qiáng)度問題是應(yīng)力問題；而穩(wěn)定問題是要找出作用與結(jié)構(gòu)內(nèi)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(gè)特點(diǎn)：（1）穩(wěn)定問題采用二階分析。以未變形的結(jié)構(gòu)來分析它的平

7、衡，不考慮變形對作用效應(yīng)的影響稱為一階分析（FOA—FirstderAnalysis）；針對已變形的結(jié)構(gòu)來分析它的平衡，則是二階分析(SOA—SecondderAnalysis)。應(yīng)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(yīng)用疊加原理。應(yīng)用疊加原理應(yīng)滿足兩個(gè)條件：①材料符合虎克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比；②結(jié)構(gòu)處于小變形狀態(tài)，可用一階分析進(jìn)行計(jì)算。彈性穩(wěn)定問題不滿足第二個(gè)條件，即對

8、二階分析不能用疊加原理；非彈性穩(wěn)定計(jì)算則兩個(gè)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(jié)構(gòu)。對應(yīng)力問題，靜定和超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法3用上述理想軸心壓桿的情況來描述鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)現(xiàn)象是不夠的，鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)現(xiàn)象就其性質(zhì)而言，可以分為三類穩(wěn)定問題。1.2.1分支點(diǎn)失穩(wěn)分支點(diǎn)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(nèi)受壓的平板的失穩(wěn)（屈曲）都屬于分支點(diǎn)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(gòu)件，當(dāng)軸向壓力PPcr時(shí)，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(shí)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(fù)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(dāng)P=Pcr時(shí)，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(gòu)件由原來挺直的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)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(dāng)荷載到達(dá)A點(diǎn)后，桿件可能有兩個(gè)平衡路徑，即直線AC和水平線AB（AB’），A點(diǎn)稱為兩個(gè)平衡路徑的分支點(diǎn)，或分岔點(diǎn)。由于在同一個(gè)荷載點(diǎn)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(diǎn)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(gòu)件分支點(diǎn)失穩(wěn)又可以分為穩(wěn)定分支點(diǎn)失穩(wěn)和不穩(wěn)定分支點(diǎn)失穩(wěn)兩種。1.穩(wěn)定分支點(diǎn)失穩(wěn)穩(wěn)定分支點(diǎn)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(gòu)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(yuǎn)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(diǎn)失穩(wěn)。由于壓桿因彎曲變形而產(chǎn)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(dá)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(gòu)件屈曲后強(qiáng)度并不能被利用。對圖1.5a所示四邊