钢结构的失稳事故PPT幻灯片课件.ppt

1、第7章，钢结构失稳事故，1，7.1失稳的概念，又称屈曲，是指钢结构或构件失去整体稳定性或局部温度，属于承载力极限状态。就钢结构的基本构造而言，可分为三类：轴向受力构件、受弯构件和偏心受力构件。其中，轴向受拉构件和偏心受拉构件不存在稳定性问题，除强度和刚度外，其他构件的稳定性问题是关键问题。1.平衡分叉不稳定性分为稳定分叉不稳定性和不稳定分叉不稳定性。当塑性发展到一定程度时，由建筑钢材制成的偏心受压构件将失去其稳定承载力。跳跃不稳定性是指没有平衡分叉点和无限点，结构突然从一个平衡构型跳到另一个，在此期间发生大的变形。3，3，3，理想(即无缺陷和直的)轴向受压构件和理想中平面受压板的失稳属于平衡分

2、叉失稳问题。理想的受弯构件和压缩圆柱壳也属于这一类。平衡分叉不稳定性也称为分叉点不稳定性，也可以称为第一类稳定性问题。它可以分为稳定分叉不稳定和不稳定分叉不稳定。(1)稳定分叉屈曲的特征是稳定的平衡状态。当结构达到临界状态时，它从非屈曲平衡构型过渡到无限相邻的屈曲平衡构型，即它被直杆轻微弯曲。此后，变形的进一步增加需要增加载荷。如图所示，直杆的轴向压缩和中间面的平面压缩属于这种情况，板具有明显的后屈曲强度，目前已用于门式刚架的设计。(2)屈曲后，不稳定分叉失稳结构只能在远低于临界载荷的载荷下保持其平衡构型。例如，承受均匀轴向载荷的圆柱壳；承受均匀外部压力的整体壳体；绑定列；薄壁方钢管压杆等。(

3、如图所示)。这种屈曲也称为“有限干涉屈曲”，因为在有限干涉的作用下，在达到分叉屈曲载荷之前，它可能从半屈曲平衡构型变为非相邻屈曲平衡构型。这里要强调的是，稳定分叉不稳定性对缺陷的敏感性与不稳定分叉不稳定性有很大不同。图中的虚线表示当部件有几何缺陷时，载荷和变形之间的关系。虽然稳定分叉失稳有缺陷，但载荷仍可高于临界值；然而，不稳定分叉是不稳定的，与没有缺陷的分叉相比，负载的最小值大大减小。因此，不稳定分叉不稳定性对缺陷特别敏感。如果这种结构的设计忽视了缺陷的影响，将会带来严重的后果。极端点不稳定性也称为第二类稳定性问题，如图所示。具有极值点失稳的偏心受压构件的荷载-挠度曲线只有极值点B，与理想轴

4、心受压构件在同一点上没有两种不同变形状态的分叉点，构件的弯曲变形特性没有变化，因此这种失稳称为极值点失稳。这意味着当塑性发展到一定程度时，建筑用钢偏心受压构件失去稳定承载力。双向受弯构件和双向弯压构件的弹塑性弯扭失稳属于极值点失稳。对于实际的轴心受压构件，由于存在初始弯曲和初始偏心等几何缺陷，它们也应属于偏心受压构件的范畴。因此，极端点的不稳定性是非常普遍的。这种屈曲的特点是既没有平衡分叉点，也没有无穷远点，但与不稳定分叉失稳有一些相似之处。它的结构突然从一种平衡形态跳到另一种，在此期间发生了巨大的变形稳定性是钢结构最突出的问题。长期以来，许多工程师和技术人员对强度的概念有清楚的认识，但对稳定

5、性的概念认识不足，并且有一种错误的观点认为强度比稳定性更重要。因此，在连续发生的大量钢结构失稳事故中，付出了血的代价，也吸取了严重的教训。钢结构失稳事故可分为两类：整体失稳事故和局部失稳事故，其各自的原因如下。7.3.1整体失稳事故原因分析设计错误、制造缺陷、临时支撑不足、使用不当7.3.2局部失稳事故原因分析设计错误、结构不当、原始缺陷、吊点位置不合理。设计误差设计误差主要与设计者的水平有关。如缺乏稳定性概念；稳定性检查公式错误；只检查基本构件的稳定性，忽略整个结构的稳定性检查；计算简图和承载约束与实际应力不一致，设计安全储备太小。7.3.1事故原因分析，整体不稳定，12、2。制造缺陷通常包

6、括初始弯曲、初始偏心、热轧和冷加工、焊接引起的残余变形等。这些缺陷将对钢结构的稳定承载力产生重大影响。7.3.1整体失稳事故原因分析13、3、临时支撑不足的钢结构在安装过程中，在整个结构完全形成之前，是几何可变系统，构件稳定性很差。因此，必须提供足够的临时支撑系统，以保持安装期间的整体稳定性。如果临时支撑设置不合理或数量不足，部分构件将失去稳定性，整个结构将在施工过程中倒塌或倾覆。7.3.1事故原因分析，整体不稳定，14、4。使用不当或意外因素也是结构建成投入使用后出现不稳定事故的主要原因。例如，用户可以随意修改使用功能；改变部件的应力状态；灰尘沉积或悬吊设备增加导致过载；温度应力引起的地基不

7、均匀沉降和附加变形；意外冲击载荷等。7.3.1事故原因分析，整体不稳定，15，1。设计误差设计者忽视甚至没有检查构件的局部稳定性，或者验收方法错误，导致构成构件的各种板材的宽厚比和高厚比超过规范限值。7.3.2局部不稳定事故原因分析，16，2。结构不当通常是在局部集中力较大的部位，原则上应设置结构加强筋。此外，为了确保组件在运行过程中不会变形，还必须提供横膈膜和加强板。然而，在实际工程中，加劲肋数量不足和结构不合理是很常见的。7.3.2局部不稳定事故原因分析，17，3。原始缺陷原始缺陷包括钢材负公差严重超标、局部鼓曲艺术和制造过程中焊接等工艺造成的波浪变形等。7.3.2局部失稳事故原因分析，1

8、8，4。吊点位置不合理在吊装过程中，特别是对于大型钢结构构件，吊点位置的选择非常重要。不同吊点下构件的受力状态不同。有时构件中过大的压应力会导致构件在吊装过程中局部不稳定。因此，在钢结构设计中，重要构件的吊装方法和吊点位置应在图纸中说明。7.3.2局部失稳事故原因分析，19、7.4失稳事故的处理和预防。钢结构因整体失稳事故倒塌后，整个结构已经报废，事故的处理已经没有价值，只留下责任问题；但是，对于局部失稳事故，可以采用加固或更换钢板。钢结构失稳事故应优先考虑预防措施，并应遵循以下原则。设计师应该强化稳定设计的理念。生产单位应努力减少(2)结构稳定性计算方法的前提必须符合实际受力情况，特别是支座

9、约束的影响。(3)构件的稳定性计算必须与细部结构的稳定性计算相协调，特别是强节点的概念。(4)强度问题通常采用一阶分析，稳定性问题原则上应采用二阶分析。(5)叠加原理适用于强度问题，但不适用于稳定性问题。(6)处理稳定性问题，要从全局出发，考虑整体稳定性和局部稳定性的相关影响。21、21、2生产单位应努力减少缺陷。在许多常见缺陷中，初始弯曲、初始偏心和残余应力对稳定承载力的影响最大。因此，生产单位应通过合理的工艺和质量控制措施将缺陷降至最低。施工单位应保证安装过程中的安全，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的失稳，确保结构安全。一

10、方面，用户应注意已建钢结构的定期检查和维护；另一方面，当需要对工艺流程和使用功能进行改造时，必须咨询设计单位或相关专业人员，不得擅自增加负荷或改变部件的应力。总之，通过各方的共同努力，钢结构失稳事故可以得到根本解决。加拿大魁北克大桥因不稳定而倒塌。1907年，一座三跨悬臂桥在加拿大首次建成。这座桥的两个边跨是152。长4米，中跨长548.64米。中间跨度包括一个杆状结构，长度为714.45米，悬挂在两个边跨上。出人意料的是，在建桥过程中，由于新设置的角钢过于薄弱，四根角钢的总截面面积仅占构件总截面面积的11%。因此，板条不能有效地将四肢的四个部分组成具有足够弯曲刚度的压缩弦。在拼装钢桥合拢之前

11、，挠度的发展是无法控制的，先发生肢端屈曲，然后弦杆失去整体稳定性。所有9000吨的钢桥都掉进了河里，75名员工丧生。当这座桥被重建时，由于建筑问题，它在1916年再次倒塌。美国哈特福德市体育馆因压杆不稳定而倒塌。工程简介及事故概况美国东部康涅狄格哈特福德市体育馆采用四柱支撑的方形金字塔网格，网格长9.14米，宽9.14米，高度6.5米，网格每侧柱高13.71米。网格的主要成员由四个等边角的横截面组成。根据承载要求，最大角度为L 20322，最小角度为L898，细分腹杆为单角度L1278。肢宽为152毫米和203毫米的角钢采用A572(屈服点：350牛顿/平方毫米)，其他较小的角钢采用A36(屈

12、服点：250牛顿/平方毫米)，钢筋连接采用高强度螺栓。在结构上，网格的上弦杆和腹杆的中心线在一点相交，而对角构件和上弦杆由从横截面延伸的钢板连接。该钢板弯曲一个角度，导致细分对角线中心线与上弦中心线交点之间的偏差为30cm(如图所示)。1978年1月，美国东部有一场暴风雪。事故发生前一周，哈特福德仍在下雪和下雨，这造成了体育场建成后最大的积雪量。18日清晨，体育馆突然发出一声闷响，接着整个屋顶倒塌，中间部分凹得像锅底，四角的突出部分向上倾斜。(1)设计中最严重的错误是网格上弦压杆支撑不够，导致压杆稳定承载力不足。在最初的设计中，假定上弦杆和斜腹杆由中间点的子构件支撑，上弦杆的计算长度为网格的一

13、半，即4.57米.同时，屋顶负荷原设计均布荷载为3.42千牛/平方米，验证荷载为4.08千牛/平方米。网格结构的极限荷载分析表明，网格结构的极限荷载可以通过在屋顶自重上增加0.730.98千牛/平方米来实现。根据屋顶倒塌当天的气象数据，屋顶上的雪荷载估计在0.580.98千牛/平方米的范围内。空间桁架中截面压杆的扭转屈曲也是空间桁架失效的主要原因。根据扭转屈曲理论，推导出十字形压杆的临界扭转应力，发现该应力在大多数情况下起控制作用。由于设计人员没有注意到这一点，压杆的实际承载力低于设计值。在倒塌的空间桁架中，大量的横梁发生变形。静力分析表明，74根钢筋在静荷载作用下会发生屈曲。如果对这些钢筋两

14、端的接缝施加临界压力，格栅框架的中心挠度为29.7厘米，接近3033厘米；施工期间测量。据估计，总承载力可提高0.580 .73kN/m2，接近于屋顶倒塌时的雪荷载。哈特福德体育场的屋顶系统将屋顶系统与网格分隔开来，这应该说是一个设计缺陷。由檩条和屋面板组成的屋面系统是一个在水平面上刚度很大的板。如果屋顶位于网格的上弦平面，它可以在一定程度上支撑网格，但这种效果在屋顶升起后会减弱。同时，传递到屋顶的风力只能通过柱子传递到上弦平面，从而在上弦节点产生弯矩。虽然分配给每一列的水平力并不大，但它毕竟不利于网格。在原设计中，空间桁架的分析计算只考虑上下弦杆和斜腹杆，屋面荷载作用于上弦杆网格节点，上弦杆

15、压杆只承受轴向力。如果在分析中考虑到重新划分，就会暴露出新的问题。此时，如果上弦的中点与作为铰接点的副杆相连，则几何形状将是可变的，分析结果将是无意义的；如果上弦杆的中点与副杆刚性连接，则不可避免地会在上弦杆中产生弯矩。(2)施工原因施工管理混乱，质量控制不严，影响电网的崩溃。1973年1月网架吊装后，在自重作用下，网架的中点挠度为21.3厘米，但应该只有9.4厘米；按原设计；屋顶全部完工，在没有活载的情况下挠度达到3033厘米，按设计为19厘米。这种过度的变形已经引起了建筑和安装方面的问题。例如，在给格栅增加屋面荷载后，与格栅连接的外墙板骨架在安装过程中不易贴合，必须在现场用氧气切割焊接安装，表明格栅出现了严重偏差。然而，当时在场的施工和检查人员并没有提问。由于主筋的长度都是相等的，在事后检验工作中发现了几处钢筋替换和相互替换的错误。连接螺栓的尺寸和型号也是混合的。经验和教训(1)网架节点的连接比较复杂，因为杆件较多，所以节点设计是网架节点的关键问题。然而，