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第四版前言本书第三版于2006年1月出版后,深受广大读者关注。这次对本书修订的主要内容如下:(1)为了便于读者了解较复杂的受弯构件腹板剪切承载力的计算过程,将第438页普通梁和薄腹梁腹板剪切承载力的计算流程拆分为一个图和两个互不相关的计算流程。(2)将确定受弯构件等效弯矩系数的表7.2,用不同的计算方法拆分为表7.2和表7.3以及计算公式(7.53)和(7.54)。(3)美国国家标钢结构规范ANSI/AISC360-2005合并了荷载抗力系数(LRFD)和容许应力(ASD)两种不同的设计方法,并规定设计者可以任选其中之一种。本书修订时补充了轴心受压、受弯、压弯和薄腹梁腹板剪切承载力容许应力设计法和与LRFD法相对应的ASD法算例。(4)根据理论分析和试验研究,卷边加劲板件的屈曲后应力分布划分为I、Ⅱ和Ⅲ三类,因此曾有三组与其对应的设计公式;但是因为后两类板件屈曲后的应力分布很相似,因此北美冷弯薄壁型钢结构设计规范NAS AISI2001对于卷边加劲板件的设计,提供了两组而不是三组设计公式,因此需作修改。(⑤)系统地介绍了半刚接刚架的梁症连接性能和稳定设计方法,以国产热轧H型钢组成的半刚接和刚接两种刚架作为算例,就其梁柱连接性能、稳定承载力和刚度要求作了比较。本书这次修订后可能还存在修改未尽和不足之处,希望读者不吝指正。陈骥2008年4月于西安筑科技大学i買素荷网1Z心.E可
第二版前言本书为教育部研究生工作办公室推荐的研究生教学用书。第一版问世后,深受广大读者欢迎。现为了适应学科的发展,对第一版进行了全面修订。新版的内容充实了国内外钢结构稳定理论与设计的研究成果,主要包括:(1)变截面刚架平面屈曲的理论和设计。(2)斜梁加腋的单层多跨山形门式刚架的两种平面屈曲一侧移屈曲和跃越屈曲的设计准则。(3)多层多跨刚架平面稳定的整体设计法,统称高等分析法(Advanced AnalysisMethod)。(4)轴心受压和受弯单角钢弯扭屈曲的理论分析和设计方法。(5)受弯构件在弯矩和扭矩共同作用下的稳定设计。(6)轴心受压构件、普通受弯构件的稳定承载力和薄腹梁截面承载力的设计流程。(7)受弯和压弯构件弯扭屈曲总势能新的表达式推导。(8)抗震结构中截面的设计要求。(9)冷弯薄壁型钢结构轴心受压和受弯构件中板件的相关局部屈曲、截面的畸变屈曲和构件整体的弯曲或弯扭屈曲以及它们之间的相关屈曲设计,新的设计方法将摒弃传统的有效截面法,采用全截面的直接强度法。(10)半刚性连接刚架的连接特性和稳定设计此外,删减了用能量法求解带缀板的开薄壁轴心受压构件的弯扭屈曲荷载,剔除了单轴对称截面轴心受压和压弯构件中确定弯扭屈曲换算长细比的一种烦琐的计算方法。本书中涉及的稳定设计方法采用了我国新修订的钢结构设计规范GB50017-2003、冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002,美国钢结构设计规范AILRFD1999、AISI1996,日本钢结构设计指针AJ1998,并参考了英国标准BS59502000第一部分和BS59501998第五部分。作者希望经过修订后的这本研究生教学用书仍以轴心受压、受弯和压弯构件,有侧移刚架以及板件的弹性与弹塑性稳定的基本理论部分作为课堂教学的重点,研究生可根据不同学习和研究阶段的要求从书中获得稳定理论与设计的新知识。本书为从事钢结构教学、研究、设计和施工的工程技术人员提供了更丰富的参考资料。本版可能存在谬误和欠妥之处,请读者指正。陈骥2003年7月于西安筑科技大学v.莲罚素前网Z沁.T
第一版序结构稳定理论就其性质而言属于结构力学的一个分支,但究其发展过程,则与金属结构工程的发展息息相关。在1936年出版的经典性著作《弹性稳定理论》一书的序言中,Timoshenko,S.P.曾经指出:“钢和高强度合金在现代工程结构中的运用,尤其是用于桥梁、船舶和飞机,已使弹性稳定成为极重要的问题。”虽然时隔半个多世纪,但这句反映稳定理论和结构工程之间密切关系的话并没有过时,不过房屋结构已和桥梁、船舶和飞机并驾齐驱,而弹性稳定则已扩展到非弹性稳定。筑结构所用的钢材是弹塑性材料,焊接已经成为钢结构的主要连接手段,致使残余应力成为影响钢构件稳定性能的不可忽视的因素,因此,钢结构的稳定问题有其不同于轻金属结构的特点。陈骥教授编写的这本《钢结构稳定理论与设计》,体现了稳定理论和钢结构设计的紧密结合。本书在理论方面反映了当前学科发展的水平。近年来,稳定理论的研究已经从完善的弹性杆的临界荷载的分析扩展到有缺陷的、非弹性杆的稳定性和屈曲后性能的研究。本书在第一章的一开始就指出分岔屈曲有稳定的与不稳定的之别,并通过一系列计算模型加以分析论证,揭示出不同模型屈曲后的不同行径(包括几何缺陷的影响),使读者眼界开阔,在全面论述理论知识的同时,又注意把理论用手分析实际构件。第一章对构件进入塑性后的性能(包括强化阶段和抗剪的性能)和残余应力分布都做了充分介绍,为把稳定分析扩展到非弹性范围奠定了基础。书中对各类构件和板件的弹塑性稳定分析,都不只是简单地用应力超过钢材比例极限后的切线模量方法,而是对残余应力的效应做出具体考察,这在同类的其他书中还不多见。通常分析框架稳定时,都只限于作用在柱顶上的荷载,而实际的框架横梁上总是作用有荷载,本书对后一种情况做了比较详尽的分析,是理论紧密结合实际的又一例证。本书还用了相当篇幅论述稳定理论在工程设计中的应用,具体应用总要涉及设计规范的规定。当今世界,经济趋于一体化,涉外工程日益增多,适当介绍国外设计规范规定的特点也是本书顺应时代潮流的一个特色。保证结构和构件的稳定性,是钢结构设计中必须予以充分注意的问题。但是,结构稳定理论这门学科尚未在工程设计人员中普及,这是当前存在的一个矛盾。这本书的出版有助于解决这一矛盾。它还为结构工程研究生提供了一本好教材。陈绍蕃i理罚素前网Z.Z心.ET
议中只川平1限写所的的利第一版前言情出钢材具有高强、质轻、力学性能良好的优点,是制造结构物的一种极好的筑材料。钢结构与在筑结构中应用广泛的钢筋混凝土结构相比,对于充任相同受力功能的构件,具有截面轮廓尺寸小、构件细长和板件柔薄的特点。对于因受压、受弯和受剪等存在受压区的构件或板件,如果技术上处理不当,可能使钢结构出现整体失稳或局部失稳。失稳前结构物的变形可能很微小,突然失稳使结构物的几何形状急剧改变而导致结构物完全丧失抵抗能力,以致整体塌落。因失稳而导致钢结构破坏的情况在国内外都曾发生过,有的后果还十分严重。例如在加拿大境内1907年首次造的跨越Quebec河的三跨悬伸桥,它的两个边跨各长152.4m,中跨长548.64m,中跨包括了由两个边跨各悬伸出的长度为171.45m的杆系结构。岂料在架桥过程中,悬伸出的由4部分分肢组成的格构式组合截面的下弦压杆,因所设置的角钢缀条过于柔弱,4个角钢缀条总的截面积只占构件全截面面积的1.1%.因此缀条不能有效地将4部分分肢组成具有足够抗弯刚度的受压弦杆,组装好的钢桥在合龙之前,挠度的发展已经无法控制,分肢屈曲在先,随之弦杆整体失稳,9000t重的钢桥一下子全部坠入河中,有75名员工遇难。该桥重时,曾于1916年因施工问题又一次发生倒塌事故。1907年首的Quebec钢桥坠毁后的场景见图0.1。频Z.U.N正图O.1首的Quebec钢桥坠毁后的场景。ix·理罚素前网Z.Z心.ET
月16日,正值有305人参加会议期间,因一根受压腹杆在平面外的长细比入,达到300而首先在平面外形成一个完全半波屈曲,导致屋盖迅速塌落,造成42人死亡和179人受伤的特大事故。图0.3展示了事故现场经清理后塌落的梭形轻钢屋架。关于这一问题的理论分析可见附录一,那里说明了在梭形轻钢屋架中受压腹杆在中点用矩形钢箍连系后,绕截面的不同弯曲方向计算长度系数的计算方法,并分析了引发几起同类梭形轻钢屋架失稳事故的原因。图0.3事故现场清理后的梭形轻钢屋架KOHaKOB,A.L.和MaxoB,A.Π.曾分析前苏联在1951~1977年期间所发生的59起重大钢结构事故,其中占总数29%的17起事故是属于结构的整体或局部失稳。并非所有失稳事故都是由于设计错误所致,制造和安装或使用不当也可能引发失稳事故。前苏联古比雪夫列宁冶金厂锻压车间在1957年末有七榀钢屋架连同1200m2屋盖突然塌落,原因是长度相同的一对拉杆和压杆在装配过程中搞颠倒了,压杆承载力降低的幅度超过了30%而提前屈曲」钢结构的稳定性能是决定其承载力的一个特别重要的因素,稳定理论和设计方法需要完善。近几十年来,在研究发挥钢结构稳定性能的潜力和完善稳定计算的理论方面,国内外都取得了长足的进步。例如完善钢结构的弹塑性稳定理论,研究有几何缺陷和残余应力的钢结构的实际受力性能和其极限荷载,用数值法来解决这类问题等都取得了不少研究成果。在做理论分析的同时进行稳定性能的试验验证,以及将理论研究结果利用图表表示或演化为实用计算公式,从而将弹塑性稳定理论用于解决钢结构设计中的问题都取得了丰硕成果。包括我国在内的世界上许多国家,最近10年都相继修订了钢结构设计规范。在这些规范中均反映了新的研究成果。工程技术人员可以从1991年出版Beedle,L.S.主编的《金属结构稳定的世界观点》(Stability of Metal Structures-一A Worldx罚素衬网Z.ZC
View,2nd.Ed,)一书中得到教益。该书编辑了6个国家和地区,即澳大利亚、中国、东欧、日本、北美和西欧的钢结构设计规范关于稳定计算的方法和特点。本书则有助于认识钢结构稳定设计的理论依据。本书系统地介绍了钢结构中基本构件的弹性和弹塑性稳定理论,概括了不同类型的稳定问题。书中内容力求反映新的研究成果。其前半部分研究的是构件发生平面变位的稳定问题,它们是轴心受压构件的弯曲屈曲,压弯构件在弯矩作用平面内的稳定和刚架屈曲;后半部分从第六章开始,研究的是构件和薄板发生空间变位的稳定问题,它们是轴心受压构件和压弯构件的扭转屈曲和弯扭屈曲,受弯构件的弯扭屈曲和薄板的凸曲等。第五章(稳定计算的近似分析法)的理论,是用于解决较复杂的弹性和弹塑性稳定问题的。其中有限差分法、有限积分法和有限单元法等,是通过解决受压构件的弹性稳定问题,用以说明其计算原理和方法步骤,目的是为后面用数值法和电子计算机解决钢结构的弹性与弹塑性稳定问题奠定基础。本书各章在阐述构件稳定性能的基础上,结合钢结构的设计问题,按照我国钢结构设计规范GBJ17-88、冷弯薄壁型钢结构技术规范GBJ18-87和高层民用筑钢结构技术规程JG)9998的有关条款,简要地说明了为满足稳定要求所列计算公式的理论依据和应遵循的方法,并给出了应用这些计算公式的算例。为了便于读者学习基本理论,各章都编写了较多例题和习题,其目的有的是着眼于对稳定理论的理解,有的是解决稳定计算的具体应用。其中不少弹塑性稳定方面的例题和习题都是历年为研究生教学编写的。为了加深对钢结构稳定理论的理解和应用,也便于研究生今后在科学研究中做参考务有几个涉及面较广的弹性与弹塑性稳定问题编入了附录。钢结构稳定理论与应用一书曾于1994年由科学技术文献出版社出版,出版后深得读者好评,认为这是一本颇具特色的钢结构稳定的著述,可作为结构工程专业研究生技术基础课教材。鉴于此,教育部研究生工作办公室于2000年6月将此书推荐为研究生教学用书。为了进一步完善这本教材,使其较全面地反映当代钢结构稳定理论与应用的新成就,并联系涉外工程中国外钢结构设计规范有关稳定计算的规定和方法,作者对本书做了全面修改,使之成为一本内容更加充实的新书并更名为钢结构稳定理论与设计。在全面修改此书时着重在以下几个方面做了补充。(1)与正在修订的我国现行钢结构设计规范拟增加的稳定问题有关的理论分析和设计方法,如单角钢和双角钢等单轴对称截面轴心受压构件的弯扭屈曲,多跨多层有侧移刚架的二阶效应,带有摇摆柱的有侧移刚架屈曲,刚架横梁受压后的线刚度折减,I形截面薄腹梁的受压翼缘在腹板平面内的竖向屈曲和腹板受剪屈曲后的拉力场作用,非均匀受压板件屈曲后的有效宽度等。(2)系统地介绍美国房屋钢结构设计规范AILRFD1999中按照结构极限状态理论关于轴心受压、受弯、压弯构件和计及P△效应后多跨多层刚架的稳定问题,板屈曲和屈曲后与构件极限承载力的相关关系等稳定计算的理论依据和设计方法,包括薄腹梁的弯扭屈曲临界弯矩以及在弯矩和剪力共同作用下极限荷载的计算方法。(3)美国冷弯薄壁型钢结构设计规范AISI LRFD1996中关于均匀与非均匀受压板件屈曲后的有效宽厚比及其统一设计公式,板件屈曲后构件稳定承载力的计算方法。·xi·罚素前网Z.Z0.NE]
(4)日本房屋钢结构设计指针AJ1998在极限状态设计法中为适应抗震要求给出的结构、构件和板件分级的相关关系,受压和受弯构件中翼缘与腹板宽厚比分级的相关关系以及对这些构件做稳定计算的方法。(5)双向受弯构件和双向弯曲压弯构件弯扭屈曲极限承载力的弹塑性分析和设计方法。(6)在附录中增加了单个弹性支承上轴心受压构件的弯曲屈曲和弯扭屈曲,用有限单元法、有限积分法和有限差分法计算受压和受弯构件弹塑性弯扭屈曲荷载,并结合工程实际详细地做了理论分析,介绍了多个稳定设计的实例。本书可作为工业与民用筑工程、土结构工程和工程力学专业研究生结构稳定理论课的教材。在进行研究生教学时,应注意区分稳定问题的类型,分析不同稳定问题的方法和解决具体稳定设计问题的条件。学习的重点应是轴心受压、受弯和压弯构件,有侧移刚架以及板件的弹性与弹塑性稳定的基本理论部分。本书中的许多章节可供土类专业高年级大学生选读。对于从事钢结构教学、研究、设计和施工的技术人员,本书也有参考价值。本书承陈绍蕃教授全面审阅,并提供了许多极为宝贵的意见,谨致深忱谢意。对在编写过程中曾提供意见和资料的专家、教授以及协助完成几个受压和受弯构件弹塑性弯扭屈曲数值法计算例题的研究生,作者在此深表谢意。由于水平所限,书中可能存在错误与不妥之处,希望读者提出批评和改进意见。J.N琳豫2000年10月于西安筑科技大学·xii·理罚素前网Z.Z心.ET
Preface(Fourth Edition)The third edition of the text-book had been published at 2006.Many readers appre-ciate this book comprehensibly.Before the forth edition,some statements errers in thisbook must be revised and emended.These contents are as follows:1.In page 438,the flow chart for calculating web capacity in plate girderis as shownin Fig.8.38 is divided into three parts as shown in Figs.8.38,8.39 and 8.40.2.In page 329,the Table 7.2 for equivalent moment factors of bi-symmetric sectionbeams under loads on shear center is divided into two tables,Tab.7.2 and Tab.7.3.3.The American National Standard Specification for Structural Steel BuildingsANSI/AI360-2005 combines Load and Resistance Factor Design (LRFD)and Allow-able Stress Design (ASD).Designers can be made according to either LRFD or ASDprovisions.In this revised text-book,the ASD method is complemented for the designsof axially loaded columnss,flexural members,beam-columns and plate girders.4.According to the theoretical analysis and test investigations,the stress distribu-tion of lipped stiffened elements is divided into three classes and at the first time,in AI-SI-1996,three corresponding design methods are provided,but in practice,the newNorth Ammerican Specification of the Cold-Formed Thin-Walled Steel Structures NASAISI-2001,only two design methods are provided but not three.5.The behavior of beam-to-column connection of semi-rigid connections and the de-sign of semi-ridig frames are introduced.The comparisons of different beam-to-columnbehaviors,stability designs of semi-rigid and rigid frames and rigidity requirements withnational rolded H-sections are precicated.Readers of the forth edition are urged to communicate with the author regarding allaspects of this book,particularly on identification of errors and auggestions for improve-ment,Chen JiProfessor of Structural EngineeringSchool of Civil EngineeringXi'an University of Architecture Technology·xix·興素村网Z.Z心.ET
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