有关钢结构中轴心受力构件的探讨

白 健

(西山煤电集团设计院(有限公司)，山西 太原 030053)

轴心受力构件通常分为轴心受拉和轴心受压两类，在钢结构中有着广泛的应用，是组成桁架的主要承重构件，各种支撑系统中构件也一般作为轴心受力构件考虑，至于支撑屋盖或楼板的柱，虽然并非是真正意义上的轴心受力构件，但其一般起控制作用稳定性计算却与轴心受力构件的计算相关甚密，由此可见轴心受力构件在钢结构中应用广泛。轴心受力构件的破坏主要是钢材屈服或被破坏，以上两者均属于强度破坏。按《钢结构设计规范》及《建筑结构可靠度设计统一标准》将用以概率理论为基础的极限状态设计方法用分项系数设计表达式进行计算，对于轴心受拉构件一般只需采用荷载设计值对轴心受拉构件的净截面做强度验算即可。但轴心受拉构件如过分细长则会在制作、运输途中挠曲变形，对于承受动力荷载的构件将产生较大的震动，故应对其长细比进行限制也称之为刚度条件。

对轴心受拉构件只需进行强度及刚度验算。所谓强度条件是指构件危险截面上的应力大小，是否能够满足承载能力极限状态的要求。根据圣维南原理，在理想状态下，轴心受拉构件的计算中由于荷载通过截面形心，认为截面上的应力是均匀分布的，而实际情况中，构件具有初偏心、初弯曲、残余应力等初始缺陷。由于初始缺陷的存在，将使得轴心受拉构件成为拉弯构件，但由于初始缺陷对轴心受拉构件的不利影响很小，通常忽略不计，而残余应力对截面进入全塑性状态后的影响理论上可忽略，故对于轴心受拉构件计算中假定截面上的应力是均匀分布的。

当净截面上的平均应力达到屈服点时，虽然不会导致构件破坏而产生较大的变形，但由于构件出现不适于继续承载的变形，其实已经进入承载能力极限状态，由于是轴心受拉构件可认为构件上的拉力相同净截面自然成为控制截面，故我国规定以净截面屈服作为轴心受拉构件的承载能力极限状态。在满足强度条件的基础上，只需满足规范对于长细比的要求即可，故轴心受拉构件截面设计较为简单。

而对于轴心受压构件就复杂了许多，我国规范规定对于轴心受压构件通常要对构件的整体稳定性、局部稳定性和截面强度三项均要进行计算，长而细的轴心受压构件当截面上的平均应力远远低于钢材的屈服极限时就会由于其内力和外力之间不能保持平衡的稳定性，一些轻微扰动即可使构件产生很大变形而丧失承载能力，钢结构由于钢材的强度很高，构件截面大多不大，而其长度又往往较长，故轴心受压构件的破坏大多由构件失去整体稳定性控制。稳定性对于钢结构是一个较为重要的问题，除了轴心受拉构件外，只要受压的杆件设计中都必须考虑稳定问题。工程历史上建筑结构因失稳而倒塌的事故并非个例。在轴心受压构件的计算中需要注意以下几点：

1)稳定计算和强度计算的区别。验算构件的强度和稳定性的公式的区别除了计算截面不同外只相差一个稳定系数，但其本质含义截然不同，强度公式是对于危险截面上应力的计算是一个应力问题，而稳定公式尽管也是对危险截面的应力进行计算，但其计算对象并非只针对某一截面，而是对整个构件而言，稳定系数的计算过程中不但需要考虑构件的截面条件，还要考虑构件的嵌固情况、施工工艺、残余应力等诸多条件。强度计算和稳定计算都是承载能力极限状态所需计算的内容，我国现行规范为了简化计算，规定强度计算一律以净载面为准，而构件中螺栓孔对截面的削弱，对于稳定计算影响不大，故稳定计算一般以毛截面进行计算。

2)轴心受压构件的二阶分析。结构内力的分析，大多数是以未变形结构而做的理想化分析，此时所得的变形与荷载承载性关系，这种分析方法称为几何线性分析。而稳定问题却必须以变形后的体系建立平衡条件，其外力与变形呈非线性关系，故为几何非线性分析，也称为二阶分析。我国规范规定对于抗侧移刚度较小的框架结构推荐采用二阶弹性分析法确定杆件内力，对于构件初始缺陷的影响则通过附加假想水平力来综合体现。

3)稳定计算中部的应用叠加原理。结构力学中应用叠加原理有两个必要条件，第一，材料应服从虎克定律；第二，变形较小，可采用一阶分析。综上所述构件的稳定问题必须采用二阶分析，故稳定计算中就不能应用叠加原理，如采用叠加原理将导致错误的理论。

以上三点不止适用于轴心受压构件，对其他受压构件也普遍适用。轴心受压构件存在弯曲屈曲、扭转屈曲和弯扭屈曲三种失稳状态。失稳时出现何种变形状态取决于构架的截面尺寸、形状、构件长度及支撑约束情况，对于双轴对称截面除十字形截面外，这种截面的形心与剪切中心重合不可能产生弯扭屈曲，除十字形截面易扭转屈曲外，大部分情况为弯曲屈曲。对于双角钢组合截面这种单轴对称截面而言，这种截面形心与剪切中心不重合，当构件绕对称轴屈曲时为弯扭屈曲，绕其非对称形心轴屈曲时为弯曲屈曲，实际应用中应通过调整角钢的形式及平面内外的长度使其平面内外轴心受压承载力尽量相近，可避免材料的浪费。

最初计算轴心受压构件在弯曲屈曲时整体稳定性，在弹性阶段临界荷载由欧拉公式得出。构件在非弹性阶段临界荷载切线模量理论得出。但实际受压杆件必然存在多种缺陷，构件经承受荷载即产生微小的变形，当荷载逐渐加大，构件边缘纤维屈服，随后构件进入弹塑性工作。随着塑性区域的增大，截面的抗弯刚度逐渐降低，变形快速发展，而达到极限状态，在此状态之前增加荷载才能使变形增大，其平衡状态是稳定的，此状态之后在荷载减小的情况下变形依然增大，因此其平衡状态是不稳定的，此极限状态所对应的荷载就是临界荷载，标志着由稳定转为不稳定的临界点，但与欧拉荷载的意义截然不同。

轴心受压构件的稳定性计算以此荷载作为依据，显然比以欧拉荷载和切线模量荷载作为依据更为合理，但它的计算更为困难。在计算机使用较为普遍的当下，采用该构件两端铰支，钢材为理想弹塑性体，具有长度1‰的初弯曲和残余应力，采用逆算长度法方可由经复杂且繁琐的计算求得。在编制《钢结构设计规范》的稳定系数表格时，适用轧制和焊接的各种类型截面，并适用于不同截面的13种残余应力模式，对不同长细比的构件进行计算形成了a，b，c三条曲线，又根据适用曲线将截面分为a，b，c三类，并将板件厚度40 mm以上的截面形式归为d类，对应不同的稳定系数，形成了我国规范规定的简化计算方法。

实际工作中当受压杆件的压力达到一定程度时，在构件尚未丧失整体稳定之前，个别板件可能已经丧失稳定性，这种现象简称为局部失稳。构件若丧失整体稳定性就会立刻破坏，但若构件局部失稳一般并不会使构件立即破坏，只是失去稳定性的板件不能继续分担荷载而使得整个构件的承载能力有所减少并改变构件的受力状态，有可能使原构件提前失去整体稳定性。因而在轴心受压构件中应控制板件的局部稳定性不使其局部失稳，但对于四边支承的腹板有时可利用其屈曲后性能。

对于箱形截面由于其整体稳定性好采用使板件屈曲的临界应力等于钢材屈服点的要求来控制板件的允许高厚比，而对于其他类型截面则据使板件屈曲不先于构件整体屈曲的原则进行控制，较箱形截面更为保守。其允许值与构件的长细比无关，且设置间距过密横向加劲肋对于腹板的局部稳定性并无明显影响。

综上所述，对于轴心受力构件承载力的提高应着眼于以下几点：首先应提高建筑物的侧向刚度，宜设置偏心支撑、带竖缝钢筋混凝土抗震墙板、屈曲约束支撑等，其实侧向刚度满足强支撑框架要求可有效减小构件的计算长度，其次可在构件中部设置位于横向加劲肋上的支撑杆，支撑杆的受力应经计算确定且结合支撑设置以免对受压构件造成不利影响，此外应根据建筑的平面布置选用受残余应力影响较小的截面形式，对于较大的d类截面应采取消除残余应力的措施。

[1] 夏志斌.钢结构——原理与设计[M].北京：中国建筑工业出版社,2011.

[2] GB 50017—2003,钢结构设计规范[S].