高層鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性與二階分析的概念
2021-05-24 08:53 高層鋼結(jié)構(gòu) 華邦建設(shè)
高層鋼結(jié)構(gòu)可以視為一個懸臂受壓柱，不僅要通過控制板材的寬厚比與構(gòu)件的長細(xì)比來保證構(gòu)件的局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性，同時，還需要考慮結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。
對于高度層鋼結(jié)構(gòu)，通常不會由于豎向荷載引起結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。 但高層鋼結(jié)構(gòu)的高寬比一般較大，當(dāng)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或地震作用下產(chǎn)生水平位移時，豎向荷載產(chǎn)生的二階效應(yīng)將使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題比較突出，此時必須考慮位移產(chǎn)生附加水平力的影響。
當(dāng)結(jié)構(gòu)受到水平方向力的作用時將產(chǎn)生水平側(cè)移，由于側(cè)移引起豎向荷載的偏心又將產(chǎn)生附加彎矩，而附加彎矩又使結(jié)構(gòu)的側(cè)移進(jìn)一步增大，對于非對稱結(jié)構(gòu)，平移與扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)，當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時，豎向荷載的合力與抗側(cè)力構(gòu)件的軸線將產(chǎn)生偏心，從而也會引起附加的扭矩。這種由于豎向荷載作用于水平位移而產(chǎn)生的內(nèi)力與側(cè)移增大的現(xiàn)象稱為P-△效應(yīng)。如果由于側(cè)移引起內(nèi)力的增加終能與豎向荷載相平衡的話，結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，否則結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)P-△效應(yīng)引起的整體失穩(wěn)。
在進(jìn)行高層鋼結(jié)構(gòu)階段設(shè)計時，通常采用線彈性計算方法，此時在豎向荷載作用下與在水平荷載作用下的位移和內(nèi)力是彼此獨立的，兩者的內(nèi)力與位移可以直接相加，因而也稱為一階分析。由于P-△效應(yīng)是在一階側(cè)移基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，所以又稱為二階效應(yīng)，相應(yīng)的計算分析稱為二階分析。
對于30層以下的高層鋼結(jié)構(gòu)，側(cè)向剛度一般較大，P-△效應(yīng)并不顯著，通常可以忽略不計。然而，隨著建筑層數(shù)的進(jìn)一步增加以及建筑高寬比的增大，P-△效應(yīng)造成的附加彎矩與附加位移所占的比例逐漸加大，對于50層左右的鋼結(jié)構(gòu)，P-△效應(yīng)產(chǎn)生的二階內(nèi)力和位移可達(dá)15%以上。由此可見，對于高層鋼結(jié)構(gòu)，如果不考慮二階效應(yīng)，可能造成一些構(gòu)件實際負(fù)擔(dān)的內(nèi)力超過其設(shè)計承載力，從而引起結(jié)構(gòu)的倒坍。
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