在钢结构的可能破坏形式中,属于失稳破坏的形式包括:结构和构件的整体失稳;结构和构件的局部失稳。
钢结构和构件的整体稳定,因结构形式的不同、截面形式的不同和受力状态的不同,可以有各种形式。
轴心受压构件是工程结构中的基本构件之一。
其形式分为实腹式轴心受压构件和格式轴心受压构件。
在工程结构中,整体稳定通常控制着轴心受压构件的承载力,因为构件丧失整体稳定性常常是突发性的,易造成严重后果,所以应加以特别重视。
对于钢构件轴心压杆承载力的极限状态是丧失稳定。
轴心压杆整体失稳可能是弯曲屈曲、扭转屈曲、也可能是弯扭屈曲。
1、轴心压杆整体失稳形式
一根完全弹性的材料和无缺陷的轴心压杆,达到承载力的极限状态时,究竟呈弯曲屈曲、扭转屈曲、还是弯扭屈曲,要看它的材料和截面抗弯刚度EI、杆约束扭转刚度、杆自由扭转刚度GJ以及长度L的大小。
1.1弯曲失稳
对于截面没有削弱的双轴对称工字形等截面轴心受压构件,在承受较小压力Ⅳ时,构件可保持顺直。
若遇到干扰力使其产生微小变形,在干扰力去掉后,构件将恢复其直线状态。
当Ⅳ增加到一定大小后,该平衡状态则会转为不稳定平衡,亦即此时若有干扰力使其发生微变,则干扰力去掉后,构件任保持微弯状态。
这时如果压力Ⅳ再稍加,则弯曲变形就会迅速增大而使构件丧失承载能力。
这种现象称为构件的弯曲失稳或弯曲屈曲。
1.2扭转失稳
某些抗扭刚度较弱的十字截面和z形截面等轴心受压构件,当Ⅳ达到某一临界值时,构件将发生微扭变形。
同样,若N再稍微增加,则扭转变形迅速增大而使构件丧失承载能力。
这种现象称为扭转屈曲或扭转失稳。
1.3弯扭失稳
当构件的截面为单轴对称时,可能会发生绕非对称轴弯曲屈曲,也可能会发生绕对称轴弯曲变形并同时伴随有扭转变形的屈曲,这称为弯曲扭转屈曲或弯曲扭转失稳,简称弯扭屈曲或弯扭失稳。
2、考虑各种缺陷时的临界应力
实际工程中钢轴心压杆是弹塑性材料,但理想的轴心压杆并不存在,钢构件
不可避免地存在些缺陷。
它有几何缺陷和力学缺陷两种。
几何缺陷为初弯曲、初扭曲和加载初偏心等;力学缺陷包括残余应力和整个截面上屈服点不一致等。
这些缺陷都在不同程度上使压杆的稳定承载力降低。
其影响较大的是残余应力、初弯曲和初偏心。
2.1仅考虑残余应力时的轴压直杆
残余应力是钢构件截面内存在的一种自相平衡的初始应力。
在实际工程中,构件由于轧制或焊接后的不均匀冷却,截面中必然产生自相平衡的残余应力。
残余应力在压杆截面上的分布变化多端,它既和轧制后的冷却、焰割、焊接等过程有关,也和材料厚度、截面组成形式有关。
残余应力的绝对值不受屈服点的影响;厚板焊成的截面残余应力高于薄板焊接截面,而且沿板厚度变化。
2.2仅考虑初弯曲时的轴心压杆
初弯曲的存在使轴心压杆丧失稳定的性质发生了改变。
直杆在荷载达到临界力时失稳,属于平衡分岔问题。
有初弯曲的轴心压杆,其杆长中点处受力最不利随着荷载和挠度的增大,部分截面进人塑性,杆件刚度逐渐降低。
如果让杆长中点截面边缘的压应力等于钢材屈服点,将此时的平均应力作为临界应力,即为边缘屈服准则。
2.3仅考虑初偏心的轴心压杆
由于杆件截面尺寸偏差和安装误差会产生作用力的初始偏心,按边缘屈服准则,跨中截面边缘应力首先达到屈服点。
初偏心对短杆的不利影响较大,对长柱的影响不及初弯曲的影响大。
3、加强轴压构件整体稳定性的一些措施
加强轴心受压构件的整体稳定性应该从设计人手。
不宜将杆件的计算长度设计过长;可以在构件中部设置侧向支撑,减少杆件的计算长度,提高构件的稳定性;对于组合截面,例如工字形截面轴心受压构件,应尽可能将其截面形状设计得到开展一些,选用宽薄的板件,以期获得较大的回转半径,减少长细A;可以通过两个轴的等稳定设计,即使2x=Ay,使构件控制稳定能力提高。