钢桥稳定设计的探讨

４０　桥梁结构　城市道桥与防洪　２００７年９月第９期　钢桥稳定设计的探讨　苏　磊　（中铁大桥勘测设计院有限公司深圳分公司，广东深圳５１８００２）　摘要：该文简要介绍钢桥稳定设计中的一些基本概念，如强度和稳定的区别，稳定类型，钢桥稳定的设计原则以及钢桥设　计的一些特点等，以便帮助设计人员更好地进行稳定设计。　关键词：钢桥；稳定设计；整体稳定；局部稳定　中图分类号：Ｕ４４８．３６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—７７１６（２００７）０９一ＯＯ４Ｏ一０３　０　引言　稳定性是钢桥设计中一个较为突出的问题。　若这个问题处理不好，将会造成不应有的损失。现　代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故。其　中影响最大的是１９０７年加拿大魁北克一座大桥　在施工中破坏，９　０００多ｔ钢结构全部坠入河中，　桥上施工的人员逾７０人遇难。破坏是由于悬臂的　受压下弦失稳造成的。从上可以看出，钢结构中的　稳定问题是钢结构设计中亟待解决的主要问题。　一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成　严重的损失，而且会造成人员的伤亡，所以在钢结　构设计中，一定要把握好这点。目前，钢结构中出　现过的失稳事故大多是由于设计者的经验不足，　对结构及构件的稳定性能认识不够，对如何保证　结构稳定缺少明确概念，造成一般性结构设计中　不应有的薄弱环节。　针对上述问题，设计人员应该明确在钢结构　稳定设计中的一些基本概念，以及对钢桥稳定性　研究中存在的问题有较为清楚的认识，以便在设　计中更好地处理钢结构稳定问题。　１　钢桥稳定设计的基本概念　１．１强度与稳定的区别【。Ｈ。】　强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡　状态下由荷载所引起的最大应力（或内力）是否超　过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。极　限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆　性材料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈　服点。　稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出　外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，　即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入　收稿日期：２００７—０８—２３　作者简介：苏磊（１９７０一），男，湖北人，工程师，从事桥梁工程　设计＿Ｔ作。　该状态，因此，它是一个变形问题。如轴压柱，由　于失稳，侧向挠度使柱中弯矩增大，因而柱子的破　坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强　度不是柱子破坏的主要原因。　１．２钢桥稳定类型【　Ｈ　１．２．１梁整体稳定　为了提高梁的抗弯强度，节省钢材，钢桥截面　一般做成高而窄的形式，受荷方向刚度大而侧向　刚度小。如果梁的侧向刚度较弱ｆ如仅在支座处有　侧向支撑），梁的弯曲会随荷载大小的不同而呈现　两种截然不同的平衡状态。如图１所示的工字形　截面梁，荷载作用在其最大刚度平面内。当荷载较　小时，梁的弯曲平衡状态是稳定的。虽然外界各种　因素会使梁产生微小的侧向弯曲的扭转变形，但　外界影响消失后，梁仍能恢复原来的平衡状态。然　而，当荷载增大到某一数值后，梁在向下弯曲的同　时，会突然产生侧向弯曲和扭转变形的破坏，这种　现象称之为梁的整体失稳。　图１　梁的整体失稳　１．２．２梁局部稳定　组合梁一般由翼缘和腹板等板件组成，如果　将这些板件不适当地减薄加宽，板中压应力或剪　应力达到某一数值后，腹板或受压翼缘有可能偏　离其平面位置，出现波形鼓出的现象ｆ如图２）。　梁的局部稳定中以受翼缘和腹板的局部稳定　最为突出。保证局部稳定的同时，还应验算强度问　题　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年９月第９期　城市道桥与防洪　桥梁结构　４１　动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取　的边界条件。　１．４钢桥稳定设计特点　（ａ）翼缘失称　（ｂ）腹板失稳　（１）失稳和整体刚度：现行规范通用的轴心压　杆的稳定计算法是临界压力求解法和折减系数　法。　图２梁局部失稳　了解钢桥稳定类型非常重要，这样才有可能　正确估量结构的稳定承载力。要真正掌握这种构　（２）稳定性整体分析：杆件局部稳定是否牵涉　到结构的整体。稳定分析必须从整体着眼。　（３）稳定计算的其它特点：在弹性稳定计算　件的性能，就必须了解缺陷对它的影响。其他构件　中，除了需要考虑结构的整体性外，还有考虑其局　也都有个缺陷影响问题。另一方面就是深人对构　部稳定。　件屈曲后性能的研究。　了解一些在钢结构设计中应该明确的一些基　１．３钢桥设计的原则【３］　本概念，有助于在设计中更好地处理稳定方面的　根据稳定问题在实际设计中的特点提出以下　问题。随着新型钢结构体系的不断发展，我们对稳　两项原则并具体阐明这些原则，以更好地保证钢　定问题的研究要求也不断地提高。　桥稳定设计中构件不会丧失稳定。　如图３所示的某简支梁，其截面为不对称工　１．３．１结构整体布置必须满足梁的整体稳定性要　字形，材料为Ｑ２３５一Ｂ，钢梁跨中和两端均有侧向　求　支撑。在集中荷载Ｆ＝１８０　ｋＮ（设计值，未包括梁自　梁的整体稳定的临界荷载与梁的侧向抗弯刚　重）的作用下，梁的稳定性及强度是否满足要求？　度、抗扭刚度、荷载沿梁跨分布情况及其在截面上　钢梁跨中和两端均有侧向支撑，故受压翼缘　的作用点位置有关。钢桥整体失去稳定时，梁将发　的自由长度为ｌ，＝７．５　ｍ，而竖向平面跨度为１５　ｍ。　生较大的侧向弯曲和扭转变形。故为提高梁的整　验算梁的整体稳定性取梁的最大弯矩，且按梁的　体稳定承载能力，钢桥在其端部支承处都应采取　受压翼缘计算。而强度应验算下翼缘截面受拉应　构造措施，以防止其端部截面的扭转。　力，因中轴上移，下缘截面拉应力大于上缘截面压　１３．２结构细部构造必须满足梁的局部稳定性要　应力。　求　（１）截面特性计算：　梁的局部稳定性主要是通过限制受压翼缘的　主梁截面面积：Ａ＝３５０￣１２＋８００￣１０＋２００￣１２＝　宽厚比和限制腹板的高厚比来控制。根据构造及　１４　６００（ｍｍ　）　计算需要设置相应的加劲肋，以保证梁的局部稳　中和轴的位置。对上翼缘的形心取距：Ｙ。＝　定。　ｆ８００￣１０￣４０６＋２００￣１２￣８１２）／１４　６００＋６＝３６１．９（ｍｍ）　结构计算和构造设计相符合，一直是结构设　截面绕ｘ轴惯性矩：Ｉｘ－＝１０ｘ８００３／１２＋８００ｘ　１０ｘ５０．１２＋　计中大家都注意的问题。当涉及稳定性能时，构造　３５０￣１２￣３５５．１２＋２００￣１２￣４５６．１２＝１．４７８ｘ１０９（ｍｍ４）　上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简　按受压翼缘最外纤维面确定的抟截面抵抗　支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅　矩：Ｗ　＝Ｉ　／ｙ１＝１．４７８ｘ　１０　／３６１，９＝４．０８４ｘ　１０　（ｍｍ　）　是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理　截面绕Ｙ轴惯性矩：Ｉｙ＝８００￣１０　／１２＋１２￣３５０　＋　梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够　１２￣２００　＝６．０１６ｘ　１０８（ｍｍ　）　阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转　绕ｙ轴的回转半径：ｉ　＝（Ｉｙ／Ａ）　＝２０４．５（ｍｍ）　图３　简支梁　维普资讯 http://www.cqvip.com ４２　桥梁结构　城市道桥与防洪　２００７年９月第９期　（２）跨中最大弯矩计算：　梁的自重为：ｑ＝Ｏ．０１４６ｘ７８．５＝１．１４６（ｋＮ）　跨中最大弯矩设计值：Ｍｍａｘ＝￣Ｇｑｌ　１８＋Ｆｌ／４＝　１．２ｘ１．１４６ｘ１５　／８＋２２０ｘ１５／４＝８６３．７（ｋＮ・ｍ）　（３）计算梁的整体稳定系数　。　ｈｙ＝ｌ￣／ｉ　＝７　５００／２０４．５＝３６．７　ｏ【ｂ＝Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）＝３５０　／（３５０　＋２００　）＝Ｏ．８４３　截面不对称影响系数：　＝Ｏ．８ｘ（２ａ　一１）＝Ｏ．８×　（２ｘＯ．８４３—１）＝Ｏ．５７８（按加强受压翼缘）　根据《钢结构设计规范）ＧＢ一５００１７附表Ｂ表　Ｂ．１查得Ｂｂ＝１．７５　根据附表Ｂ式（Ｂ．１—１）计算　：　ｂ＝１．７５ｘ４　３２０／３６．７　×１４　６００ｘ８２４／（４．０８４ｘ１０　）　×ｆ（１＋ｆ３６．７ｘ１２１４．４／８２４）　）。　＋Ｏ．５７８１×２３５／２３５＝２６．２　＞Ｏ．６，该梁已进入弹塑性阶段工作，故应对　进行修正。　ｂ＝１．０７—０．２８２／＋ｂ＝１．０７—０．２８２／２６．２＝１．０５９　（４）梁整体稳定性计算：　Ｍｘ／（　ｂＷｘ）＝８６３．７／（１．０５９ｘ４．０８４ｘ１０　）＝１９９．７（ＭＰａ）　ｆ＝２１５（ＭＰａ）　Ｍ　／（　ｂＷ　）＜ｆ（满足）　（５）抗弯强度计算：　中和轴到下翼缘边缘的距离：ｙ２＝ｈ—Ｙ　＝８２４—　３６１．９＝４６２．１（ｍｍ）　按受拉翼缘最外面纤维确定的净截面抵抗　矩：　Ｗ２＝Ｉ　／ｙ２＝１．４７８ｘ　１０　／４６２．１＝３．１９８ｘ　１０６（ｍｍ　）　Ｍ／（　Ｗ２）＝８６３．７／（１．０５ｘ３．１９ｘ１０　）＝２５７．９（ＭＰａ）　ｆ＝２１５　ＭＰａ　Ｍ　／（　）＞ｆ（不满足）　以上计算结果表明，整体稳定性满足要求的　同时，还应验算强度是否满足要求。至于其局部稳　定，通过验算其宽厚比和高厚比以及采用一些构　造措施来满足其稳定性要求。　２钢桥稳定性研究中存在的问题　钢桥体系稳定性研究虽然取得了一定的进　展，但也存在一些不容忽视的问题【４Ｊ：　（１）在大跨度桥梁设计中整体稳定与局部稳　定的相互关系是一个值得探讨的问题。目前大跨　度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反　映整体稳定与局部稳定的关联性。　（２）预张拉结构体系的稳定设计理论还很不　完善。目前还没有一个完整合理的理论体系来分　析预张拉结构体系的稳定性。　（３）钢桥体系的稳定性研究中存在许多随机　因素的影响。目前结构随机影响分析所处理的问　题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入　这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参　数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以　应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳问题的研　究。　从上可以看出，现在的钢桥稳定理论还是不　够完善，而我们在设计时一般都是把钢桥假想成　理想的结构体系，而实际设计中我们没有考虑一　些随机因素的影响。但是在考虑这些因素之前，应　该弄清楚这些随机因素的来源，一般情况下把影　响钢桥稳定性随机因素分为三类：（１）物理、几何　不确定性：（２）统计的不确定性：（３）模型的不确　定性。　以上都是钢结构稳定设计中存在的问题．只　有进一步地深入研究这些稳定问题，钢桥稳定理　论才会进一步完善。如对于钢结构稳定设计中涉　及到随机因素的影响，国外已经引入了钢结构稳　定的可靠度设计，这也表明了钢结构稳定设计理　论也在不断地完善。　３　结语　钢桥稳定问题不同于强度问题。在实际设计　中应该明确知道结构构件的稳定性能，以免在设　计过程中发生不必要的失稳损失。在满足整体稳　定性要求的同时，还应重视强度问题。其次，只有　深入了解钢桥稳定设计中存在的问题，才能使钢　桥稳定理论设计不断地完善。　参考文献　［１］胡春农，黄剑源，曹治杰编．钢结构设计的若干理论［Ｍ］　北京：　中国铁道出版社，１９８４．　【２Ⅱ日】小西一郎编．朱立冬，董其震，等译．钢桥第１、２分册［ｕ１．北　京：人民铁道出版社，１９８０．　［３］周学军主编．钢结构设计规范ＧＢ５００１７应用指导［Ｍ］．济南：　山东科学技术出版社，２００４．　［４］卢家森，张其林．钢结构稳定可靠性研究评述［ＪＪ．同济大学学报、