建筑结构应按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计

概述建筑结构应按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计。前者指结构或构件达到最大承载力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态；后者为结构或构件达到正常使用的某项规定限值时的极限状态[1]。钢结构可能出现的承载能力极限状态有：①结构构件或连接因材料强度被超过而破坏；②结构转变为机动体系；③整个结构或其中一部分作为刚体失去平衡而倾覆；④结构或构件丧失稳定；⑤结构出现过度塑性变形，不适于继续承载；⑥在重复荷载下构件疲劳断裂。其中稳定问题是钢结构的突出问题，在各种类型的钢结构中，都可能遇到稳定问题，因稳定问题处理不利造成的事故也时有发生。钢结构的失稳破坏钢结构因其优良的性能被广泛地应用于大跨度结构、重型厂房、高层建筑、高耸构筑物、轻型钢结构和桥梁结构等。如果钢结构发生事故则会造成很大损失。1907年，加拿大圣劳伦斯河上的魁北克桥，在用悬臂法架设桥的中跨桥架时，由于悬臂的受压下弦失稳，导致桥架倒塌，9000t钢结构变成一堆废铁，桥上施工人员75人罹难。大跨度箱形截面钢桥在1970年前后曾出现多次事故[2]。美国哈特福德市（HartfordCity）的一座体育馆网架屋盖，平面尺寸92m×110m，该体育馆交付使用后，于1987年1月18日夜突然坍塌[3]。由于网架杆件采用了4个等肢角钢组成的十字形截面，其抗扭刚度较差；加之为压杆设置的支撑杆有偏心，不能起到预期的减少计算长度的作用，导致网架破坏[4]。20世纪80年代，在我国也发生了数起因钢构件失稳而导致的事故[5]。科纳科夫和马霍夫曾分析前苏联1951—1977年期间所发生的59起重大钢结构事故，其中17起事故是由于结构的整体或局部失稳造成的。如原古比雪夫列宁冶金厂锻压车间在1957年末，7榀钢屋架因压杆提前屈曲，连同1200m2屋盖突然塌落。高层建筑钢结构在地震中因失稳而破坏也不乏其例。1985年9月19日，墨西哥城湖泊沉淀区发生8.1级强震，持时长达180s，只隔36h又发生一次7.5级强余震。震后调查表明，位于墨西哥城中心区的PinoSuarez综合楼第4层有3根钢柱严重屈曲（失稳），横向X形支撑交叉点的连接板屈曲，纵向桁架梁腹杆屈曲破坏[6]。1994年发生在美国加利福尼亚州Northridge的地震震害表明,该地区有超过100座钢框架发生了梁柱节点破坏[7],对位于WoodlandHills地区的一座17层钢框架观察后发现节点破坏很严重[8],竖向支撑的整体失稳和局部失稳现象明显。1995年发生在日本Hyogoken-Nanbu的强烈地震中，钢结构发生的典型破坏主要有局部屈曲、脆性断裂和低周疲劳破坏[9]。对结构构件，强度计算是基本要求，但是对钢结构构件，稳定计算比强度计算更为重要。强度问题与稳定问题虽然均属第一极限状态问题，但两者之间概念不同。强度问题关注在结构构件截面上产生的最大内力或最大应力是否达到该截面的承载力或材料的强度，因此，强度问题是应力问题；而稳定问题是要找出作用与结构内部抵抗力之间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，属于变形问题。稳定问题有如下几个特点：（1）稳定问题采用二阶分析。以未变形的结构来分析它的平衡，不考虑变形对作用效应的影响称为一阶分析（FOA—FirstOrderAnalysis）；针对已变形的结构来分析它的平衡，则是二阶分析(SOA—SecondOrderAnalysis)。应力问题通常采用一阶分析，也称线性分析；稳定问题原则上均采用二阶分析，也称几何非线性分析。（2）不能应用叠加原理。应用叠加原理应满足两个条件：①材料符合虎克定律，即应力与应变成正比；②结构处于小变形状态，可用一阶分析进行计算。弹性稳定问题不满足第二个条件，即对二阶分析不能用叠加原理；非弹性稳定计算则两个条件均不满足。因此，叠加原理不适用于稳定问题。（3）稳定问题不必区分静定和超静定结构。对应力问题，静定和超静定结构内力分析方法不同：静定结构的内力分析只用静力平衡条件即可；超静定结构内力分析则还需增加变形协调条件。在稳定计算中，无论何种结构都要针对变形后的位形进行分析。既然总要涉及变形，区分静定与超静定就失去意义。失稳类型佩一个缩处于雄平衡缩状态念的刚舞性球控，可炸以有常三种披性质冶不同签的平续衡状港态：善稳定宽平衡择、随终遇平仇衡和挑不稳芽定平拆衡。盐如图哥1.递1秋a惜所示变，用炕实线柄表示诚的球乞，在瓜凹面腰中处丈于平故衡状疫态，折如果黄有一吃侧向着力使谊球偏丰离平国衡位桌置童B情点，污到达拆图中脖虚线晕所示牢位置式，当掩撤去石侧向径力，净球体纲在重份力作平用下右，经降过振奸动仍船恢复掀到原嗓来的梨平衡勉位置刃B刚点，朋则这膀种平悉衡状伤态是共稳定层的。堂图1额.1煤b税中，栽如果番有侧惩向水哭平力衣使其立偏离鼠平衡锅位置闸B无点，圆当除嫁去水吊平力宝后，纯球体碍不再额回到盘原来拦的重B唐点，抹而是乞停留尘在新苦的点棒（图变中虚上线所钩示位显置）炊，这大种推折到何纱处就拜停在命何处究的状兆态称挤为随勺遇平侄衡状具态。蛮图1不.1证c做中的崭球体式在凸舟面顶笔点搁B它处于餐平衡孕状态扣，当巴有一红侧向奶力使煮球体途离开辽平衡伯位置份B芹点，风除去滤侧向舱力后蓝，球派体不昨仅不骂能恢添复到阔B层点，特反而绳继续佩沿着扰凸面我滚动闪，远油离平叙衡位余置，涛因此雪这种荡平衡誉状态裕是不会稳定扎的。彩（麦a机）稳危定平舱衡幕躲私穴评（括b副）随棚遇平亿衡亦告玻魄拘吐（盟c尼）不逗稳定闯平衡记图1脾.1晚刚歇体的窑平衡仗状态探材料蒸力学月中，述在讨和论两就端铰吨支、胸均质弱弹性瑞材料书的轴禽心受角压杆泊件稳绸定问股题时夕也遇刮到了摄上述基类似邪的三辞种平闻衡状特态：吼①祖图勇1.屿2灭a觉中，借当轴创向压线力屋P援的数挂值不很大时叉，如臂有侧饮向力邮使杆洞件产袋生横怖向微阴弯曲危，离援开原花有直屿线形洲状，笔当撤殊去侧柔向力拔后，圈杆件栏经振即动仍院可恢易复到鸣原直半线形秋状，仰则称狐其为皂稳定伯平衡瓣状态父。衰②誓图赚1.拿2b篇中，泳当压巾力瑞P厕=番P仿cr氧时，障直杆家仍可部保持辰其直裹线形锡状，细如果陕施加较微小油侧向肯力，始则杆粉件发霉生微掠弯曲告，当贪除去双侧向束力后呢，弯棋曲变球形仍催保持辉不变握，杆误件不星能恢糟复到淹原来劲的直碰线形烟状，激此时下杆件武处于雁曲线渗形状误的随茫遇平俭衡状臭态，惹称其盒为临闻界状眼态，票P负cr挂称为育临界惕力。伏③坛当盼P吓>秧P坊cr甚时，忽若有棍侧向念力使舍杆件火弯曲欢，则押即使疑除去计侧向亚力后惩，杆备件在叫压力与P突作用删下，距弯曲食变形店继续滔增加板最终并导致绑杆件裹破坏搞，称斤其为撑不稳拿定平景衡状悬态。钻（状a岭）稳娱定平纠衡状山态（健P届<垒P变cr温）遥逗需劫谈三歪灭（篮b胀）临鼠界状华态摘图1壮.2猪粱轴心指压杆碗的平堪衡状议态况用上疗述理愁想轴拘心压污杆的馒情况茂来描梁述钢炉结构掘的失豆稳现愉象是黎不够哑的，滨钢结凶构的望失稳绵现象稳就其歉性质狗而言耍，可喘以分篮为三阵类稳宾定问给题。卫分支麦点失技稳猜理想产的（池即无施缺陷仔的、鄙笔直昨的）脏轴心框受压姓杆件拉和理址想的远中面历内受铸压的浆平板悬的失苏稳（般屈曲截）都军属于可分支克点失蝶稳。敢也称宜平衡脊分岔芳失稳不，或巾称第风一类寨失稳犯。该图1督.3区a查为一榨理想背轴心能受压救构件科，当毒轴向辨压力风P竖<凭P问cr植时，市压杆昼沿轴搅向只客被压撤缩型Δ争c妈，杆遥始终拥处于撇直线蜂平衡闲状态昏，称蛮为原左始平忙衡状剩态。杨此时就如果吨在其冶横向雨施加欠微小插干扰杨，杆垃件会琴呈微寄弯曲底状态承而偏倦离原笔平衡锯位置锈，但刘是撤河去此部干扰损后，浴压杆副立即岛恢复粘到原但直线度平衡挤状态裹。可储见，戏原始减平衡拼状态韵具有耀唯一景的平扇衡形静式。族当耗P欠=临P剧cr夜时，誓压杆会会突伤然弯丽曲，收该现搜象称绩为丧柄失稳且定，铅或称迁为屈应曲。吩如图窑1.各3没b宣所示诸，构顾件由薯原来尽挺直阴的平辛衡状顺态转逐变到游微弯死曲的市平衡雹状态判。从征图1龙.3梯c妥表示洗的荷尸载（施P箱）呈—抹位移屈（绘δ却）曲耗线中冻可以扬看出农，当甚荷载波到达钳A登点后姐，杆客件可物能有朗两个挣平衡闭路径推，即阴直线项AC丘和水关平线也AB阻（旬AB驶’浅），赵A观点称格为两粮个平周衡路他径的成分支或点，墓或分阅岔点砌。由决于在悲同一饮个荷芽载点汪出现鼠了平栗衡分眉支现逃象，立所以崖将此章种失晓稳现衬象称些为分茅支点药失稳绿。即（遗a沙）原皮始平析衡昌疾钓事性纪揭（酿b宜）临刃界平朝衡窜李详壶盘荒图不（闲c葱）浇P国—纸δ纲曲线痰图1赴.3楼理费想轴赞心受透压构扫件费分支乱点失迫稳又压可以招分为僚稳定筝分支候点失月稳和驱不稳仙定分凤支点拦失稳佩两种婆。潮稳定势分支固点失应稳询图1纠.3贸c甜所示任荷载削—嘴位移巩曲线苏是根怕据小朴挠度柏理论浙分析器得到声的，慧如按鉴大挠残度理述论分颈析，丑轴心戏受压罗构件垦屈曲府后，卸荷载阻随横横向位谷移加确大而袄略有匹增加孟，但今横向爬位移悉的增揉长速塑度远歉大于胃轴向雷力的嘱提高报速度泽，如侮图1素.4查b企所示呢。轴玻心压伪杆屈兆曲后鸣，荷碗载遣—遗位移裕曲线沃是造AB册或撤AB裕’电，这枯种平馋衡状爱态是扎稳定讯的，早属于核稳定斧分支冈点失衰稳。爽由于爱压杆歉因弯干曲变纪形而游产生山弯矩核，在帐压力敞和弯非矩的园共同供作用涌下，荐杆件竹最大阁弯矩纷作用传截面敲边缘捏纤维壮先屈便服，韵随着芽塑性倚发展枝，压损杆很爪快就录达到舌承载逼能力沿极限觉状态刃，即拢极限切荷载抵P朱u拴与屈穿曲荷冤载扫P述cr篮相差掉很小拴，因篇此，党轴心年受压蚕构件粗屈曲企后强括度并色不能做被利撕用。绣对图些1.耻5a窝所示雁四边款有支翁撑的贤薄板蹲，当症中面信均匀尼压力裳P肯达到趁屈曲盘荷载继P铜cr良后，控板发火生凸烂曲，拿同时再在板辈中面陷产生呈横向赌薄膜聚拉应钟力，唐牵制牙了板经的变扎形，集使板牲屈曲驾后仍昨能承毒受较已大的借荷载掉增量掘，屈萌曲后范板仍感处于志稳定弄平衡败状态亦，该没板的排失稳尼属于策稳定欺分支段点失裙稳。千薄板抹屈曲劫后荷棒载围—内位移排曲线拨如图湿1.镜5b早中的怠AB压或溜AB颜’享所示炎，由俘于薄羡板的五极限览荷载夹P议u滥远超专过屈勿曲荷蔬载爷P潮cr概，所沸以可企以利侨用板躬屈曲茂后的挡强度焰。轻（盒a啦）轴遇心受悉压构衔件鲜脂休刊羽龙退艘绘（皂b喝）化P旦—往δ惊曲线饭图1除.4蕉愁大挠趴度弹争性理绘论分秒析的才荷载剃—拘位移汁关系兼（坛a爹）中睛面均反匀受示压的仍四边票支承斜薄板滋损君见供肺巡柳（跟b剥）址P鸡—忌w肆曲线胞图1臭.幸5妖中确面均烛匀受扩压的朗四边钥支承肺薄板常的荷驱载气—垦位移忆关系度不稳困定分酸支点斗失稳场如果旁结构桂或构侧件发元生分并支点桶失稳适后，非只能居在远裙比临秆界荷展载低读的条毕件下潮维持孝平衡裙状态斗，则缠称此碍类失酒稳为特不稳抹定分超支点模失稳过。图记1徒.地6个a派所示东承受剂均匀剃压力棕的圆烦柱壳誓的失跃稳就慈是不御稳定谜分支振点失狸稳，扇荷载岗—流位移资曲线烤如图描1.群6循b驼中的胃OA愤B浸或始OA杜B沃’馅所示申。营（赖a裕）均截匀受微压圆榨柱壳井斩炭率狡恢（认b朝）荷程载漠—闹位移垮曲线样图1菌.野6彩不稳感定分羞支点捧失稳泽极值西点失斯稳荷图1沾.顽7旱a白所示恐偏心穷受压途构件画，作培用力司P内的偏标心距蠢为乳e耽，其均失稳缺过程猛的压复力（套P许）方—估挠度帽（酒Δ墨）曲沾线见石图1丘.付7辆b个。随钉着压亿力帖P好的增梅加，隙偏心址压杆孟的挠肿度具Δ蚊也随即之增慕长，裂形成胁曲线榜的上伸升段句OA房，压默弯构颂件处赠于稳配定平博衡状趋态；歉但是演到达悲曲线袋的最亡高点梢A没时，注构件横的抵围抗力肥开始迟小于愉外力现作用支，即啦A巩点为捞压弯辜构件禽承载五力的着极限夏点，惕表示地压弯叨构件椒开始迫丧失民整体稻稳定俗，剂P案u升为偏及心压暖杆的需最大诵承载暴力，夸也称承为偏拉心压涂杆的舍极限迈荷载化或压垄溃荷罩载；暑A叹点之逗后出星现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