建筑结构的稳定性
建筑结构的稳定性（精选12篇）
建筑结构的稳定性 第1篇
当前, 在对钢结构的稳定性设计时不好掌控不稳定的要素对其稳定性的作用。有些建筑在钢结构的稳定性设计和探究时, 通常都采取以前的案列断定相互的关联, 根本就没通过实际的工程来制定一个合适的相互关联。在对有关数据进行计算时, 很难确定每个数据的正确性, 当然也很难根据实际的工程来检验数据的正确性, 这就给钢结构的稳定性设计和探究造成了不稳定性的要素, 使稳定性的设计没有实质作用和有关的探究不具备时效性。对于不稳定性的因素, 需要找到合适、科学的应对方法, 才可以使设计的条件得到满足, 减少由于不稳定性因素而导致事故的产生率。
2 建筑钢结构的稳定性设计原则
建筑钢结构的稳定性设计原则包括下面三点内容:第一点是构成部分及整体框架这两个层面稳定性的差异, 第二点是剪力调整, 第三点是强柱弱梁的设计。一般都能通过这三个方面的设计来保障钢结构在施工及使用时不会产生不稳定的情况。
2.1 各个层面确保稳定性
钢结构最明显特性是其机能出色, 然而这个特性使其出色的同时也决定了其前期的工程设计是很繁杂的, 设计者不但要很专业的数据整理, 而且要对钢结构的各个工艺标准进行严厉的查验, 必须在每个方面达到标准后才可以把质量过关的钢结构投产到施工和使用中。由于钢结构有关的技术数据很多, 其中包含结构的阻尼比、水平载荷系数、抗震强度等等, 下面以水平载荷系数作为例子来分析, 建筑必须处在十分良好的状况下水平载荷系数才是零, 然而在实际的环境中是很难达到的, 风载荷都会在不同的水准上对水平方向上的建筑稳定性产生作用, 由于这些现实情况, 设计者需要依据本地的实质环境状况来设计水平载荷系数, 最后防止建筑由于稳定性的因素造成的破坏。
2.2 剪力调整问题
剪力调整问题也是钢结构稳定性设计过程当中需要高度关注和重视的一个问题, 这主要是因为随着我们国家经济水平和技术水平的持续提高, 建筑楼层越来越高, 建筑形式也越来越复杂, 斜柱或者是不对称结构等异形结构出现的频率非常之高, 这无疑对建筑稳定性设计提出了更高的要求。目前为止, 我们国家在进行建筑设计时多采用简化的方式来进行处理, 如竖向构件简化为柱子, 斜构件简化成斜杆等, 通常情况下这样一种简化并不会产生太大的问题, 但是在进行框架柱剪力调整时就会有非常严重的影响, 这主要是由斜撑的特点和作用来决定的, 斜撑主要还是用作水平方向的支撑, 但仍然需要承受竖向上一定的载荷, 这样一部分载荷产生的剪力是不能够忽略的, 因此, 剪力调整问题的良好处理将在相当大程度上提升钢结构设计的稳定程度。
2.3 强柱弱梁的设计
强柱弱梁注重的是建筑设计中柱、梁的整体性问题, 这是由于钢结构在面临很大的载荷时需要塑性铰出现在梁上而不是柱子上, 这样才可以确保钢结构整体在使用过程当中不会产生瞬间损坏, 并且在经过一定的外力作用后还能够在很短的时间内快速恢复原始形态。国家的标准对于这些方面有比较明了的规则和条件, 强柱弱梁的设计必须对其弹塑性进行计算和分析, 只有满足以上要求时才能够认为其合格可用。
3 钢结构稳定性设计的影响因素
钢结构稳定性设计原则的提出实际上就是基于钢结构稳定性设计的具体特点, 因此下文中进一步探究钢结构稳定性设计的特点, 具体包括三个方面:一是整体刚度与钢结构失稳之间的关系, 这两者之间的关系十分密切, 钢结构刚度好坏直接由其整体构成来决定, 正是因为这样, 钢结构稳定性就成为了钢结构的重要问题。二是钢结构的整体稳定性问题, 上文当中已经明确指出, 无论是钢结构整体还是钢结构的组成部分, 其性能都会对钢结构整体稳定性产生较大影响, 因此在实际建设过程当中, 在对钢结构稳定性问题进行处理时, 就要把握整体观念, 并于此同时关注结构内部各个层面的状况, 如发现钢结构内部出现细小形变, 就要考虑到这非常有可能对钢结构的整体内力分布带来影响, 最终影响整体的承载能力。三是钢结构稳定具有相关性的问题, 同样是需要设计师予以一定关注的。
4 钢结构稳定性的具体分析方法
在对钢结构稳定性问题进行探究和解析的时候, 都是在外荷载作用的条件下进行的, 所以对形变以及对结构或构件不稳定的须同时进行, 下面建议了两个常见的有用措施:第一个是静力法, 所谓的静力法, 实质上是通过静力平衡方法, 与已产生了细微形变的钢结构受力作用相结合来创建平衡微分方程, 依据此获取临界载荷, 进而对钢结构的稳定性进行确认。第二个是动力法, 动力法主要针对处于平衡状态的结构体系, 这种体系若施加微弱的干扰就会使它产生振动, 并且在这种条件下结构形变或者是振动加速度都和结构荷载有密切关系, 当荷载比极限荷载值低时, 加速度方向与形变方向相反, 而荷载去除运动变为静止, 则结构又恢复到平衡状态。
5 结束语
社会经济发展迅猛, 我国建筑行业也长期处于良好的发展势头当中, 而建筑行业飞速发展状态下安全问题也不容小视, 建筑设计师必须要在这样一个方面做足功夫。建筑中钢结构稳定性设计问题, 绝非简单的在施工阶段付诸行动即可, 而是需要从设计阶段就开始做好各个方面的工作, 是一项责任十分重大的任务, 直接关系到人民群众的生命和安全, 以及整个建筑工程本身的经济效益和社会效益。
摘要：最近十几年我国建筑业进展情况非常好, 建筑钢结构因为在建筑业中有着特别的优越性从而获得了非常普遍的运用, 然而这也会带来各种问题, 当中最显著的一个问题是稳定性。这篇文章就是在这样一个实际的背景下, 对建筑钢结构的稳定性设计进行了探究, 目的是为研究钢结构稳定性的办法和手段, 期望通过此来提升钢结构施工的效率和稳定性, 在节省成本的前提下确保它的施工质量和平稳性。
关键词：建筑钢结构,稳定性,设计
参考文献
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[4]丁亮.建筑工程项目中钢结构设计的稳定性探究[J].四川水泥, 2015 (04) :155.
建筑场地和地基的稳定性评价 第2篇
济南市建设工程勘察设计质量监督站
郜宪存
摘要：场地和地基的稳定性分析评价是现行规范、规程强条规定的内容，本文从地质环境条件和岩土工程条件两方面对需要进行稳定性分析评价的内容进行了论述。
关键词：场地稳定性；地基稳定性；地质环境条件；岩土工程条件
在《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)(2009年版)4.1.11第3款规定应“分析和评价地基的稳定性……”，14.3.3，第9款规定进行“场地稳定性和适宜性评价”；《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ 72-2004)8.2“天然地基评价”中规定应分析评价的内容包括“场地、地基稳定性和处理措施的建议”；《房屋建筑和市政基础设施工程勘察文件编制深度规定》（2010年版）4.6.2第1款“场地稳定性评价”，对“地基稳定性评价”提及很少。各位同行在编写岩土工程勘察报告时，往往感到需要论证的内容不是太多就是无从下笔。本人根据多年来的工作实践，对这一问题在济南地区常见的几种情况进行了总结归纳。由于我国地域广阔，新型的建构筑物、岩土工程地质条件和环境条件多样，该文观点和阐述仅是一管之见，不当之处，望不吝赐教。一 场地稳定性评价
场地稳定性评价主要是指对各种不良地质作用，包括：断裂、地裂缝、滑坡、崩塌、岩溶、土洞塌陷、建筑边坡等影响场地整体稳定性的岩土工程问题进行评价。
场地稳定性评价是岩土工程勘察可行性研究阶段的基本任务，是初勘阶段的主要任务，详勘阶段应进行“地基稳定性”分析评价。在(GB 50021-2001)(2009年版)论述较笼统，但在《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ 72-2004)“8岩土工程评价”中明确了分析评价的内容。
场地稳定性评价内容主要包括以下几个方面的岩土工程问题： 区域地质构造稳定性。针对拟建场地及附近是否存在活动性断裂； 场地地震效应，主要针对场地所处的基本地震烈度区划，划分出场地地段； 是否发育直接危害场地稳定的不良地质作用，包括：岩溶、滑坡、危岩和崩塌、泥石流、采空区、地面沉降和活动断裂等。建筑边坡稳定稳定性的影响等。
按照(GB 50021-2001)(2009年版)14.1.3规定，可仅作定性分析，确定场地稳定性、工程建设的适宜性，必要时应建议进行地震安全性评价或地质灾害危险性评估，由此影响到地基稳定性的工程要进行地基稳定性分析评价。二 地基稳定性评价
地基稳定性主要是指由于地形、地貌、设计方案造成建筑地基侧限削弱或不均衡，而可能导致基础整体失稳；或软弱地基、局部软弱地基，如暗浜、暗塘等，超过承载能力极限状态的地基失稳。其含义包含以下几个方面： 地基在外部荷载(包括基础重量在内的建筑物所有的荷载)作用下抵抗剪切破坏的稳定安全程度——承载力特征值的确定； 各类工程在施工和使用过程中，地基承受荷载的稳定程度——变形验算； 与地基岩土体在承受建筑荷载条件下的沉降变形、深层滑动等对工程建设安全稳定的影响程度——与岩土工程条件和地质环境条件的关联度。
评价的目的是为了避免由于建（构）筑物的兴建可能引起地基产生过大的变形、侧向破坏、滑移造成地基破坏从而影响正常使用。按照(GB 50021-2001)(2009年版)14.1.3规定，应在定性分析的基础上进行定量分析，评价地基稳定性问题时按承载力极限状态计算，评价岩土体的变形时按正常使用极限状态的要求进行验算。三 地基稳定性评价内容
影响地基稳定性的因素，主要的是场地的岩土工程条件、地质环境条件、建（构）筑物特征等。
一般情况下，需要对以下建（构）筑物进行地基稳定性评价：经常受水平力或倾覆力矩的高层建筑、高耸结构、高压线塔、锚拉基础、挡墙、水坝、堤坝和桥台等。
通常涉及到岩土工程方面的内容主要有：（1）岩土工程条件包括组成地基的岩、土物理力学性质，地层结构。特别是有特殊性岩土，隐伏的破碎或断裂带，地下水渗流等特殊情况；（2）地质环境条件包括是否建造在斜坡上、边坡附近、山区地基上，建（构）筑物与不良地质作用、特殊地貌的关联度和可能引起地基破坏失稳的各种自然因素或组合。如岩溶、滑坡、崩塌、采空区、1地面沉降、地震液化、震陷、活动断裂、岸边河流冲刷等。
按照(GB 50021-2001)(2009年版)、(JGJ72-2004)和《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)规定要求，通常需要分析评价的内容总结如下： 地基承载力特征值确定
验算地基稳定性实质上就是验算地基极限承载能力是否满足要求。现行规范在地基承载力特征值的确定过程中强调变形控制，特征值不再是单一的强度概念，而是一个满足正常使用要求（及变形控制相关）的岩土的综合特征指标，其涵义即为在发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值。由此可见，这一计算过程的本身，就涵盖着进行了地基稳定性分析评价的部分内容。在验算地基承载能力时，不但持力层承载力特征值应满足荷载要求，而且要考虑到下卧层、特别是软弱下卧层承载力特征值是否满足。地基特征值计算和确定时，应严格按照《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)5.2和《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ 72-2004)8.2.6～8等条款执行。地基变形验算
建筑物的地基变形计算值，不应大于建筑物地基允许变形值。在勘察阶段往往建筑物特征参数不明确，一味要求勘察报告中能有准确的结论也勉为其难，但在岩土工程勘察报告中应提供符合规范要求的岩土变形参数，供上部结构计算条件具备时，按照(GB 50007-2011)5.3、(JGJ 72-2004)8.2.9～12和《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2002)有关条款计算。基础埋置深度的确定
对高层建筑和高耸构筑物基础的埋置深度，应满足地基承载力、变形和稳定性要求。位于岩石地基上的高层建筑，其基础埋深应满足抗滑稳定性要求。天然地基上的箱形或筏形基础埋置深度不宜小于1/15H；桩箱或桩筏基础不宜小于 1/18H，H为建筑物高度。位于稳定土坡坡顶上的建筑
该类建（构）筑物应根据其基础形式，按照(GB 50007-2011)5.4.1～2有关规定确定基础距坡顶边缘的距离和基础埋深。需要时，还应按照《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2002)5.1～3有关规定验算坡体的稳定性。验算方法对均质土可采用圆弧滑动条分法，发育软弱结构面、软弱夹层及层状膨胀岩土时，应按最不利的滑动面验算。
当坡体中分布膨胀岩土时应考虑坡体含水量变化的影响；具有胀缩裂缝和地裂缝的膨胀土边坡，应进行沿裂缝滑动的验算。受水平力作用的建（构）筑物
①山区应防止平整场地时大挖大填引起滑坡；
②岸边工程应考虑冲刷、因建筑物兴建及堆载引起地基失稳。土岩组合地基
该类地基下卧基岩面为单向倾斜时，应描述岩面坡度、基底下的土层厚度、岩土界面上是否存在软弱层（如泥化带）。岩石地基
①地基基础设计等级为甲、乙级的建筑物，同一建筑物的地基存在坚硬程度不同，两种或多种岩体变形模量差异达2倍及2倍以上，应进行地基变形验算；
②地基主要受力层深度内存在软弱下卧岩层时，应考虑软弱下卧岩层的影响进行地基稳定性验算；
③当基础附近有临空面时，应验算向临空面倾覆和滑移稳定性。
岩土工程勘察报告中，应提供岩层产状、岩石坚硬程度、岩体完整程度、岩体基本质量等级，以及软弱结构面特征等。岩溶和土洞
在碳酸盐岩为主的可溶性岩石地区，当存在岩溶（溶洞、溶蚀裂隙等）、土洞等现象时，应考虑其对地基稳定的影响。按照(GB 50021-2001)5.1.10～12和《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)6.6的规定分析评价地基稳定性。软弱地基
地基主要受力层主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基称为软弱地基。首先，应判定地基产生失稳和不均匀变形的可能性；当工程位于池塘、河岸、边坡附近时，应验算其稳定性。其次，其承载力特征值应根据室内试验、原位测试、当地经验结合地层物理力学特征和建（构）筑物特征以及施工方法和程序等多因素综合确定。该类地基应按照(GB 50007-2011)第7章和《软土地区岩土工程勘察规程》(JGJ 83-2011)7.2～4有关规定分析评价其稳定性；抗震设防烈度等于或大于7度的厚层软土分布区，应按照(JGJ 83-2011)第6章判别软土震陷的可能性和估算震陷量。2
存在液化土层的地基
地面下存在饱和砂土和饱和粉土时，除6度外，应进行液化判别；根据液化震陷量的估计适当调整抗液化措施。按照(GB 50011-2010)4.3.3~6规定进行。桩土复合地基
对需验算复合地基稳定性的工程，提供桩间土、桩身的抗剪强度。填土地基
当地基主要受力层中有填土分布时，如填土底面的天然坡度大于20%时，应验算其稳定性。桩基
①应选择较硬土层作为桩端持力层。桩端全断面进入持力层的深度，对于粘性土、粉土不宜小于2d、砂土不宜小于1.5d，碎石类土不宜小于1d。当存在软弱下卧层时，桩端以下硬持力层厚度不宜小于3d；
②嵌岩桩深度应综合荷载、上覆土层、基岩、桩径、桩长诸因素确定；对于嵌入倾斜的完整和较完整岩的全断面深度不宜小于0.4d且不小于0.5m，倾斜度大于30%的中风化岩，宜根据倾斜度及岩石完整性适当加大嵌入深度；对于嵌入平整、完整的坚硬岩和较硬岩的深度不宜小于0.2d,且不应小于0.2m。
③嵌岩灌注桩桩端以下3倍桩径且不小于5m范围内应无软弱夹层、断裂破碎带和洞穴分布，且桩底应力扩散范围内应无临空面。
④当基桩持力层为倾斜地层，基岩面凹凸不平或岩土中有洞穴时，应评价桩基的稳定性，并提出处理措施的建议。箱形基础
箱形基础地基的破坏形式，除地基内饱和松砂在地震液化和局部软弱夹层侧向的问题外，它的破坏形式主要表现在偏心时水平荷载下的整体倾斜或倾覆。
一般情况下，该类基础形式均匀地基同时满足以下条件时，可不进行地基稳定性分析评价：
①基础边缘最大压力不超过地基承载力特征值20%；
②在抗震设防区，考虑了瞬时作用的地震力，同时基础埋置深度不小于1/10H；
③偏心距小于或等于1/6b。
特殊条件下，应根据地基岩土条件和地质环境条件进行分析评价。地下水的影响
当场地内地下水位升降时，应考虑可能引起地基土的回弹、附加沉降和附加的托浮力对地基的影响；对软质岩石、强风化岩石、残积土、湿陷土、膨胀岩土和盐渍土，应评价地下水的聚集和散失所产生的软化、崩解、湿陷、胀缩和潜蚀的有害作用。
四 地基稳定性验算方法 地基整体稳定性验算方法
位于稳定斜坡上的建（构）筑物或当地基有可能整体滑动时，应进行稳定性验算。在竖向和水平荷载共同作用下，当不能确定最危险滑动面时，对于均匀地基，一般采用极限平衡理论的圆弧滑动条分法。应满足下式要求：
MR/MS≥FS
MR——抗滑力矩（kN•m）MS——滑动力矩（kN•m）
FS——抗滑稳定安全系数。当滑动面为圆弧时，取1.2；当滑动面为平面时取1.3。抗水平滑动验算
对于承受较大水平推力、地基可能发生侧向滑动的建（构）筑物，应满足下式要求：
E/H≥FS
E——水平抗力（kN）
H——作用于基础底面的水平推力（kN）FS——抗滑稳定安全系数。当滑动面为圆弧时，取1.2～1.3。五 结束语
现行国家标准涵盖区域多、建设工程种类多，对待不同的工程要结合实际工程地质条件和具体的设计及施工工况，进行有针对性的、相关性的分析和突出重点的详细评价，而不要去泛泛地，模板式地，断章取义地评价。参考文献：
1.岩土工程勘察规范 GB50021-2001 中国建筑工业出版社
2.建筑地基基础设计规范 GB50007-2011中国建筑工业出版社
3.高层建筑岩土工程勘察规程 JGJ72-2004中国建筑工业出版社
建筑钢结构的稳定性设计 第3篇
摘要：随着我国社会主义市场经济的不断发展与进步以及建筑行业的发展，给我国的建筑钢结构的稳定性设计工作也提出了新的要求和挑战。当前在建筑中钢结构得到了普遍的运用，建筑钢结构的承载能力同建筑结构的稳定性有着十分密切的关系，因此在进行建筑钢结构的设计时，就需要设计人员具备一定的理论基础，并且还要对稳定性的设计方式加以掌握。本文通过对建筑钢结构的优势进行分析，提出了几点钢结构稳定性设计的原则和设计的特点，对相关的设计人员具有一定的参考价值。
关键词：建筑结构；稳定性；设计方案
近几年来，我国的钢结构在现代的建筑中逐渐的兴起，并且得到了一定程度的利用，轻钢结构、住宅钢结构以及高层钢结构等很多的钢结构体系都是我国建筑业主要的发展趋势。钢结构之所以应用广泛的主要原因就是其具有容易安装和环境污染比较少、抗震性能好等优势。我国在对建筑的钢结构进行设计时，主要就是进行稳定性的设计，同时这也是整个钢结构设计工作中一个首先需要关注的问题。但是在具体的应用过程中，钢结构会出现不同程度的失稳问题，因此这就要求相关的设计人员要灵活地掌握稳定性的设计方式。
一、建筑钢结构的优点
（一）强度高
钢结构的材料具有很好的力学性能，此外，同传统的建筑材料相比较，钢结构材料具有很高的强度，还具有很好的塑性和韧性。如果钢材的结构具有很好的韧性，那么其所能够承受的动力荷载就具有很强的适应性。如果钢材结构具有较好的塑性，那么即便是超负荷载，也不会造成突然间的断裂。由于钢材结构具有较强的延性，因此具有良好的抗震性能，正是由于上述的优势，才使得钢结构在近几年的时间之内，得到了迅速的发展。
（二）制造简便
钢结构制造起来还比较简便，方便安装，施工的周期也比较短，材质十分的均匀，因此在进行加工和制作的过程中，更容易确保钢结构的质量。钢结构构件也具有较高的精确度，在施工现场，钢结构的构件方便进行拼装和加固，在安装的过程中，会占用较小的场地，这就为建筑工程在时间以及空间等方面带来了一定的效益。
（三）自重轻
高层钢结构的自重同高层混凝土结构的自重相比较明显较轻，仅为它们的二分之一，同时还轻于钢筋混凝土的结构，因此当二者承受的荷载相同时，高层的钢结构自重会明显的轻于钢筋混凝土结构的自重。由于钢结构的自重比较轻，因此就会在很大的程度上将基础的造价加以降低，方便距离比较远的运输。
（四）环境污染较少
钢结构的环境污染比较少，因此有利于对周围环境的保护，由于钢结构主要是采用干式的施工方式，所以同混凝土所采用的湿式的施工方式相比较，更加的环保。此外，在运输方面，同高层的混凝土结构相比较，钢结构更加便于运输，不会对日常的交通造成影响。在夜间施工时，钢结构产生的噪音同混凝土的结构相比较也明显较少。可持续发展的钢结构构件也在建筑工程的施工中得到了大力的普及，这就在很大的程度上提高了钢结构可以重复利用的效率，降低了对自然资源的开发和利用的程度，间接地保护了自然环境。在施工的过程中产生的污染也比较少，由此可见可持续发展的理念在钢结构中具有很高的可行性。
二、钢结构的稳定性设计
在进行建筑钢结构的设计时，应该遵循基本的设计原则，从而确保钢结构的安全性和可靠性、耐久性，此外还要使得设计的钢结构具有较高的强度和稳定性，具备钢结构应该具备的优势。通过对钢结构的稳定性进行设计，可以将钢结构的优势充分的发挥出来。
（一）设计的原则
1.在进行钢结构的整体布置时，首先就需要符合钢结构组成部分在稳定性方面的要求，当前我国很多的钢结构都是采用平面体系来进行设计的，例如：框架的设计。所以如果想要这些平面的结构不出现失稳方面的问题，就需要对钢结构的整体布置加以充分的考虑，设计出必要的支撑构件，防止失稳问题的出现。
2.在对框架结构的稳定进行计算时，结构计算简图同实用计算方式参照的简图必须要具备较高的一致性。当前在进行单层或者是多层框架结构的设计时，通常不进行框架稳定的分析，而是要对框架柱进行稳定计算。但是在实际的设计工作中，会设定出一些典型的条件，这些条件同实际并不相符，主要是由于框架具有多样性。
3.设计结构的内部构造同构件的稳定计算一定要保持一致，当设计人员在进行构造细部的处理时，应该将钢结构的刚度和柔度进行充分的考虑，但是如果在构造方面需要进行特殊的考虑时，就需要将构件的稳定性能考虑在内。
（二）设计的特点
1.钢结构稳定性的分析
在对钢结构的稳定性进行整体的分析时，要最大限度地确保钢件的稳定，从结构的整体性出发，对构件的稳定性进行全面的分析。
2.失稳、整体刚度
现行的比较规范的稳定计算方式主要包括了两种，一种是临界压力求解法，另外一种就是折减系数法。这两种计算的方式对轴心压杆的稳定计算法也是通用的。
3.弹性稳定计算的特性
在进行弹性稳定的计算时，设计人员不但要对结构的整体性加以考慮，还要考虑到其他方面的特点。在对传递弯矩以及传递不弯矩的节点连接问题进行要求时，也要考虑到柔度和刚度的问题。节点在设计时应该尽量地对杆件的偏心加以减少，在进行柔性构件的设计时，需要首先对二阶分析进行考虑。这是由于柔性构件出现的大变形量会对建筑结构的内力产生较大的影响，在进行弹性稳定的计算时，也可以应用迭加原理。如果梁可以在水平的平面上进行转动或者是允许梁端的截面可以自由的翘曲时，应该注意支座也需要对梁绕纵轴的扭转加以阻止。如果达到了上述的需求，那么在进行稳定性的分析时，就会使得稳定性的设计符合边界的条件。
结语：
综上所述，我国的钢结构体系正在处于不断的发展之中，因此对稳定问题解决办法和解决方式的研究也要有所提高。在进行建筑钢结构稳定性的设计时，设计人员通过对钢结构具备的优势和特点进行分析，对设计过程中应该加以注意的问题进行了解，可以在很大的程度上对稳定性问题的处理有所帮助。只有设计人员对上述的方面都有了比较全面和明确的认识，才能够设计出符合实际标准的钢结构体系，并且深入地对同钢结构相关的问题加以了解和分析，针对造成这些问题的原因来采取有效的措施加以解决。但是应该注意的是，进行解决的一个基础和前提就是解决的措施必须要符合钢结构设计的需要，在实践的基础之上逐渐地对钢结构的稳定性理论加以完善。
参考文献：
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建筑物钢结构的稳定性设计 第4篇
随着我国国民经济的快速发展以及建筑水平的不断提高, 出现了大量的高层建筑物或构筑物, 这些建筑结构中广泛的运用了钢结构设计。钢结构与钢筋混凝土结构相比, 具有截面轮廓尺寸小、强度高、自重轻等特点。但对于因受压、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, 可能使钢结构出现失稳, 一旦出现失稳事故将造成巨大的损失。因此, 稳定问题是钢结构的突出问题, 分析钢结构设计中的稳定性问题, 研究钢结构的加固方法十分必要。
1 钢结构失稳分类
钢结构的稳定问题主要是指在外荷载的作用下, 整个钢结构是否发生屈曲或失稳现象。其失稳类型主要分为平衡分岔失稳、极值点失稳和跃越失稳。正确的区分钢结构的失稳类型, 可以更好的评价结构或构件的稳定承载能力。
1.1 平衡分岔失稳
完善的轴心受压构件其端部受到的荷载未达到某一限值时, 仍能保持挺直的稳定平衡状态, 构建截面承受的压应力是均匀的, 沿构建的轴线也只产生相应的压缩变形, 当构建截面承受的压力达到限值时, 构建会突然发生弯曲, 导致原来的轴心受压的平衡形式转变为与之相邻的但是带弯曲的新的平衡形式, 这就是平衡分岔失稳。其特征是当荷载逐渐增加时, 结构原有的平衡形式被破坏了, 并出现了与原平衡形式有本质区别的新的平衡形式, 由稳定平衡转变为不稳定平衡, 出现了稳定性的转变。完善的 (即无缺陷、挺直) 轴心受压构件和完善的在中面内受压平板的失稳都属于平衡分岔失稳问题, 属于这一类的还有理想的受弯构件以及受压的圆柱壳等的失稳。
1.2 极值点失稳
极值点失稳是指建筑钢材做成的偏心受压构件在塑性发展到一定程度时丧失了稳定的能力, 发生失稳时的荷载值就是构件的实际极限荷载, 这类的平衡状态是渐变的, 与平衡分岔失稳具有本质的区别。
1.3 跃越失稳
跃越失稳不存在平衡分岔点, 也没有极值点, 是失稳发生后又跳跃到另一个稳定的平衡状态。
2 钢结构稳定性的分析方法
钢结构稳定问题的分析与计算是基于结构在外荷载作用下产生形变的情况下进行的, 涉及到的形变与钢结构失稳时出现的形变一致。钢结构失稳时产生的形变与其所受到的外部荷载的关系是非线性的, 因此, 稳定问题的分析是非线性几何问题。不管是“屈曲荷载”还是“极限荷载”, 通过稳定性计算所得出的承载力均可视为结构或构件的稳定承载力。钢结构稳定问题的计算方法一般有如下几种。
2.1 静力法
静力法即静力平衡法, 也称欧拉方法, 是计算弹性系统屈曲荷载的常用方法。假设弹性稳定体系存在平衡分岔点, 那么分岔点周边存在一个状态完好结构的平衡状态和一个发生细微屈服的结构的平衡状态。静力平衡法是就发生细微屈服后结构的力学状态建立分析体系和方程组而求解的方法。若通过静力平衡法所求得的解多于一个, 根据经验, 数值最小的解才是结构体系的“分岔屈曲荷载”[1]。静力法的缺陷在于只能求解出系统的屈服荷载, 不能确定体系平衡状态的稳定性。而在实际的工程计算中, 通常我们不需要判断结构体系平衡状态的稳定性, 而只需求得结构的屈曲荷载, 所以, 静力法在钢结构稳定性问题的分析和计算中被普遍采用。
2.2 能量法
能量法也称铁木辛柯法, 是求解稳定承载力的一种近似方法, 是过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。
1) 能量守恒原理求解临界荷载。保守体系处在平衡状态时, 贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功, 即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为:
其中, ∆U=为∆应W变能的增量∆U, =∆W为外力功的增量。由能量守恒原理建立平衡微分方程。
2) 势能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指结构在受到外力作用时, 位移发生微小变化而总势能不变, 即总势能有驻值时, 结构处于平衡状态。其表达式为:
其中, δΠ=0为结构总势能的一阶变分, 有
其中, δU是虚位移引起的结构内应变能的变化, 它总是正值;δW表示外力因为虚位移而作的功, 且外力势能的变化δV等于外力虚功的负值, 即δV=-δW。这样, 势能驻值原理还可以表示为:弹性变形体对每一个和约束相容的虚位移, 其总势能的一阶变分为零, 则该体系处于平衡状态[2]。
2.3 振动法
振动法又称为动力法, 该方法对稳定问题进行计算的原理是:对处于平衡状态的结构体系施加微小干扰, 使其发生振动, 根据其自由震动状态确定结构的临界荷载。结构的变形和振动加速度与作用在结构上的荷载有关, 当荷载小于稳定的极限荷载值时, 加速度的方向和变形的方向相反, 振动随着时间的推移呈现“收敛”状态, 趋于静止, 则结构的平衡状态是稳定的;当荷载大于稳定的极限荷载时, 加速度的方向和变形的方向相同, 振动呈现“发散”状态, 结构的平衡状态是不稳定的;若结构处于“简谐振动”的状态, 则为“临界状态”, 荷载即为结构的屈曲荷载。
3 钢结构稳定设计的原则
为了更好的保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定, 实际设计时必须遵守以下三项原则。
3.1 结构整体布置须兼顾整个体系以及各组成部分的稳定性要求
目前, 我国大部分钢结构是基于平面体系设计的, 如桁架和框架都是如此。对此, 需要从结构整体布置来解决, 以保证平面结构不致出平面失稳, 所以要针对性的设计必要的支撑构件。同时, 必须保证平面结构构件的结构布置与平面稳定计算之间的一致性。
3.2 结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致
目前, 在一些钢结构设计中, 设计单层和多层框架结构时, 经常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时, 计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数, 自应通过框架整体稳定分析得出, 才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而, 实际框架多种多样, 而设计中为了简化计算工作, 需要设定一些典型条件。GBJl7-88规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定, 其中包括:“框架中所有柱子是同时丧失稳定的, 即各柱同时达到其临界荷载”。按照这条假定, 框架各柱的稳定参数杆件稳定计算的常用方法, 往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的, 设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用[3]。所以, 设计者在使用各种方法计算时, 具体的设计对象要与简化计算的假定前提相符。
3.3 满足构件的稳定计算与设计结构的细部构造之间的一致性
在钢结构的设计中, 要使得构造设计和结构计算相互匹配。设计者要区分某些节点的连接是否传递弯矩, 从而针对性的赋予其足够的柔度和强度。设计者注意构件细部的设计与处理, 如设计桁架节点时, 要注意减少杆件偏心的问题等。
4 钢结构稳定性设计中存在的问题
钢结构稳定设计的理论和方法虽然在逐渐完善, 但在实际设计过程中仍然存在一定的问题, 这些问题处理不好同样会影响钢结构的稳定性。
4.1 钢结构材料导致的计算误差
在钢结构的实际设计和计算过程中, 为了计算方便, 通常把钢材按照完全弹性材料做一阶分析, 而实际使用的钢材为弹塑性材料, 设计中忽略了钢材客观存在的缺陷 (如残余应力、初弯曲、初偏心等) , 导致稳定计算和现实结构的稳定承载能力存在较大的差距。
4.2 钢结构稳定性研究中存在随机因素的影响
钢结构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[4]。实际设计中, 影响钢结构稳定性的因素很多, 主要可分为三类:1) 物理、几何不确定性, 如材料、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等;2) 统计的不准确性在统计与稳定性有关的物理量和几何量时, 总是根据有限样本来选择概率密度分布函数, 因此具有一定的经验性;3) 模型不确定性为了对结构进行分析, 我们所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反应的种种因素, 所导致的理论值与实际承载力的差异, 都归结为模型的不确定性。在实际的钢结构设计工作中, 只有深入的研究这些不稳定因素, 钢结构稳定理论才能进一步完善。
5 结论
钢结构的稳定性能是决定其承载力的重要因素, 设计者如果对相关计算和技术上处理不当, 可能会导致钢结构出现失稳, 甚至坍塌。所以, 设计者要重视分析影响钢结构失稳的因素, 尤其是当构件存在初始缺陷、残余应力以及其他不确定因素时, 设计者更应该谨慎处理。
参考文献
[1]曾健斌.钢结构稳定性设计探析[J].科技与生活, 2010, 11:67, 55.
[2]刘杰, 吴新刚.对钢结构设计中稳定性的分析[J].商品与质量, 2011, 7:52, 47.
[3]陈孟.钢结构稳定设计的探讨[J].建筑与设备, 2010, 2:69-71.
高层建筑旁新建隧道的稳定性评价 第5篇
高层建筑旁新建隧道的稳定性评价
以某隧道工程为例,通过对工程地质条件的综述,对高层建筑旁新建隧道的稳定性进行了定性分析,并采用有限单元法对该段进行了模拟和验算,结果表明,在类似的.复杂条件下,采用有限单元法进行数值模拟是一种有效的定量分析方法.
作 者：李长雄 LI Chang-xiong 作者单位：重庆市勘测院,重庆,400020 刊 名：山西建筑 英文刊名：SHANXI ARCHITECTURE 年，卷(期)： 35(13) 分类号：U452.1 关键词：地铁隧道 建筑基础 数值模拟 有限单元法建筑结构的稳定性 第6篇
随着我国城市化进程的不断推进，国家对地区电网建设资金的投入逐年增加，由此使得地区电网的发展速度有很大提高。在地区电网高速发展的过渡期，最为关注的就是如何保障地区电网的安全可靠运行。
国内外的经验表明，网架结构对地区电网的稳定性有着重要影响。本文以某地区电网为例，从理论上分析该电网抗严重故障能力较差的原因；其次提出相应网架结构加强方案，并通过仿真分析，比较得出优化方案。
1、地区电网简介
1.1电网结构
该地区电网以500kVWX站为中心如图1所示。片区包括5个220kV变电站和3个220kV接入电厂，随着220kVCK～YJ线路投运，WX～DH～BH～CK～YJ～YY将形成局部环网。
图1 某地区电网结构
BH为地区主力火电厂，装机容量2×300MW；RJ、GXB均为水电，总装机容量528MW。
1.2存在的主要问题
220kVCK～YJ线路投运后，WX供电片区内WX～DH～BH～CK～YJ～YY形成的局部环网存在如下问题：
①大负荷期间，220kVBH～DH双回线路重载，不满足N-1要求；
②220kVBH～DH、DH～WX线路分别N-2故障时，WX供电片区内BH、GXB、RJ电厂机组相对主网失稳，失稳后需切除BH电厂2台机组维持稳定。
如采取切除BH电厂2台机组措施，电厂汽轮机等受较大冲击，存在安全风险；切机措施虽能保证地区电网稳定运行，但制约地区电网外送电能力。本文深入分析该地区局部环网抗严重故障能力弱的原因，研究网架结构加强方案，提高地区电网安全稳定性。
2、地区电网稳定性分析
2.1电网等值方式
220kVBH～DH、DH～WX线路分别N-2故障时，WX供电片区内BH、GXB、RJ电厂相对主网失稳，BH电厂机组为主导机组。忽略WX片区内除BH电厂以外电厂，将电网等效为单机无穷大系统，用等面积定则开展稳定性研究。等值方式如下：
①系统基准容量取100MVA，基准电压取230kV；
②BH电厂2台机组、升压变等效为1台机组及升压变；
③保留片区WX～DH～BH～CK～YJ～YY环网中各站220kV母线；
④地区电网外其它部分等效为无穷大母线，通过等效电抗与WX站220kV母线相连，并令其电压为；
2.2暂态稳定性分析
以220kVBH～DH线路BH电厂侧三永跳双回故障为例，用等面积定则对故障后电网的暂态稳定性进行分析。
根据2.1节中所述的电网等值方式，得到故障前、后功角特性P1和P2，其表达式为
（1）
（2）
式中，E'为BH电厂机端电压；U为无穷大母线电压；为故障前系统等值阻抗；为故障后系统等值阻抗。
相应的功角曲线如图2所示。可见，故障后系统没有稳定工作点，系统将失去稳定。
图2 系统功角图
用PSASP对电网进行仿真，故障后BH机组与主网失去同步，这表明仿真结果與理论分析结果一致。
3、地区电网网架结构优化方案
根据理论分析，要提高该地区环网抗严重故障能力，关键是减小BH电厂升压侧到WX站220kV母线间联络阻抗。
3.1优化方案简介
方案①：新增220kVBH～YY站单回线，线路长度为49.8km，导线型号为LGJ-2×400。
方案②：新增220kVBH～YJ站单回线，线路长度为60.95km，导线型号为LGJ-2×400。
3.2方案分析
针对各方案，开展潮流、静态安全、暂态稳定校核。
3.2.1潮流计算及静态安全校核
计算表明，两种方案下，地区电网潮流分布均匀，线路不过载；方案①，BH～DH线路满足N-1；方案②下，BH、RJB电厂满发时，BH～DH线路不满足N-1。
3.2.2稳定性分析
方案①，用前述等值方式对电网进行稳定性分析。故障前后功角特性P1和P2分别表示为：
（3）
（4）
故障前后系统功角曲线如图3示。由单机等面积定则可得极限切除角为1.1465rad，实际切除角度约0.4887rad（按故障后0.12s切除线路考虑，用积分法计算得到），故障后系统恢复稳定运行状态。
图3 方案①下系统功角图
方案②的理论分析结果表明，故障后系统能保持稳定。
PSASP仿真结果表明，220kVBH～DH、BH～WX线路分别发生三永跳双回故障时，在无稳定措施的情况下，各方案中系统均能保持稳定，但方案②下故障后系统振荡时间较长。
3.3方案比较与选择
优化方案选择要同时考量电网安全性和经济性。各方案实施效果如表1所示。
表1 各方案实施效果对比
投资对比：220kV环网加强方案①投资少于方案②。
安全性对比：各方案均能提高抗严重故障能力，但方案①优于方案②。方案②BH、RJ电厂均满发时，BH～DH线路不满足N-1；方案②BH～DH线路N-2故障，系统达到稳态的振荡时间较长。
综合考虑稳定性及投资，推荐采用加强方案①。
4、结论
本文以某地区电网为例，从理论上分析了其网架结构存在的问题，跟据分析结果，针对性的提出了合理的解决措施，并用PSASP对其进行仿真分析，验证了本文所提解决措施的有效性。
随着地区电网与主网的联系越来越紧密，地区电网稳定性问题日益重要。地区电网应重视稳定分析工作，合理规划网架结构，确保本地区电网的安全稳定运行。
建筑结构的稳定性 第7篇
1 钢结构稳定性设计中的问题
钢结构在许多工程施工领域中都有所使用, 但要想确保其施工质量, 就要确保其稳定性达到一定的标准, 但是钢结构本身却存在着诸多影响稳定性的问题。在进行钢结构设计时, 钢结构材料本身的性能, 如力学性能、初始变形及几何变形等等, 都会对钢结构的稳定性产生一定的影响。除此之外的钢结构几何尺寸及相关的物理参数等, 在设计时也可能只是依照以往的设计经验进行分析及设计, 并没有结合实际的工程需求, 这样更增加了钢结构的不确定因素。此外, 一些技术人员在施工之前进行了钢结构的模型设计, 由于这种模型的设计师理想状态下的构思, 而实际的工程项目需要应对各种外部的特殊环境, 例如土壤的基本条件、水文气候条件等, 所以, 之前精心设计好的钢结构模型在实际的应用中其不稳定受到严重的影响。尤其是近年来的桥梁等建筑的施工, 投资方对于桥梁的宽度的要求逐渐加大, 对于桥梁的外观等要求也越来越具体和繁杂。虽然依据相关的数学模型公式能够对稳定性数值进行计算, 同样这种理论的数值计算也是不能够完全的应用到实际施工建设中去的。
2 钢结构稳定性设计的特点分析
钢结构的稳定性设计需要从以下几个方面进行逐一落实。首先, 应当遵循国家的相关施工建设文件中的条款和要求。其次, 还要结合具体的施工项目的施工要求, 以及施工场所相对应的水文地理条件、施工条件、环境条件等, 最后, 结合以上两个方面进行设计思路的综合汇总, 最终确定出最科学合理的施工建设档案。通常来说, 无论什么样形式的钢结构, 在对其进行设计的过程当中都需要特别注意其相关受压部位, 基于此来探究和分析钢构件的稳定性;与此同时还需要注意的事, 即便部分钢结构本身不受压, 但是如果由于外力作用导致钢结构变形的话, 也同样还是会导致钢结构由不受压转变成为受压, 这一点也是要考虑在内的。其次就是钢结构自身具有整体性, 这样一点是毫无疑问的, 单一的钢构件完全不可能在大型建筑当中发挥作用, 因此都是通过科学的连接方式以整体的形式来保障安全性, 这意味着对钢结构稳定性进行分析需要从整体角度来看, 但仍然需要关注其微观层面, 包括部分内部结构, 包括单一钢构件的受损状况等, 尽可能避免钢结构的安全稳定性因小失大。最后就是钢结构相关性的特点, 其实这一点和钢结构的整体性是息息相关的, 正是因为钢结构整体性, 所以其内部结构之间功能作用的发挥和安全稳定的保障都是息息相关的, 部门部件的不安全因素将导致整体的安全威胁。
3 钢结构稳定性设计的影响因素
钢结构稳定性设计原则的提出实际上就是基于钢结构稳定性设计的具体特点, 因此下文中进一步探究钢结构稳定性设计的特点, 具体包括三个方面:一是整体刚度与钢结构失稳之间的关系, 这样两者之间的关系十分密切, 钢结构刚度好坏直接由其整体构成来决定, 正是因为这样, 钢结构稳定性就成为了钢结构的重要问题。二是钢结构的整体稳定性问题, 上文当中已经明确指出, 无论是钢结构整体还是钢结构的组成部分, 其性能都会对钢结构整体稳定性产生较大影响, 所以我们知道, 钢结构的稳定性一旦出现了细小的变化, 这个细微的变化数值就可能会影响到整个钢结构的受力分布, 换言之, 设计人员在进行钢结构的稳定性设计时, 需要从整体的角度进行分析, 压迫具有全局观念。
4 提高钢结构稳定性的主要措施
在对钢结构稳定性问题进行研究和分析时, 都是基于外荷载作用的前提之下进行的, 因此对变形以及对结构或构件失稳的必须同步进行, 下文当中提出两种常见的有效方法:一是静力法, 所谓静力法, 实际上就是利用静力平衡方法, 结合已经发生了微小变形的钢结构受力条件来建立平衡微分方程, 基于此获得临界载荷, 从而对钢结构的稳定性进行确定。二是动力法, 动力法主要针对处于平衡状态的结构体系, 这样一种体系如果施加微小的干扰就会使其发生振动, 且这样一种条件之下结构变形或者是振动加速度都和结构荷载有密切关系, 当荷载比极限荷载值低时, 加速度方向与变形方向相反, 而荷载去除运动变为静止, 则结构又恢复到平衡状态。
5 钢结构加固的主要方法
针对钢结构的加固, 业界进行了长久的研究和分析, 目前比形成了两种比较成熟的方法。其一为增加预应力拉杆;其二为将撑杆变桁架转化为撑杆式结构。增强构件截面的加固。对于加大截面加固钢构件而言, 需要注意确保在选定的部分的过程中应该有助于强化技术, 同时需要考虑存在的缺陷以及损伤状态。在选择钢结构连接方法、焊接、钢与钢铆钉连接方法、螺栓与高强度螺栓连接方法时, 需要考虑具体原因、目标、结构条件、施工条件等一系列因素, 结构钢筋应力条件以及原有连接方法结构测定等因素我们都要考虑其中。还有焊接接头的基本用途, 摩擦型高强度螺栓能够加固钢结构, 同时将高强螺栓摩擦混合也能够加固。这些我们都要进行有效的应用。
科技在进步, 技术在发展, 国内的建筑工程施工建设的水平正在稳步的提升, 处于上升期, 但是由于一些施工单位片面的追求经济利益, 也导致了一些问题工程项目的存在。针对目前的钢结构稳定性能较低的问题, 首先需要施工建设团队提高自身的思想意识, 从老百姓的生命财产安全出发, 确保施工项目的质量;其次, 需要施工建设团队在施工之前对整个施工项目进行全面的规划和合理的设计;最后, 还要在施工的过程中进行全面的监督。总之, 钢结构的稳定性要想得到保障, 需要施工建设团队进行更加深入长远的分析和研究。
参考文献
[1]文平军.建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点分析[J].江西建材, 2014 (23) :17-56.
[2]吴文德.浅析钢结构的稳定设计[J].吉林工程技术师范学院学报, 2011 (8) :15-16.
《结构的稳定性》教学设计 第8篇
本节课内容为“苏教版”“技术与设计2”第一单元第二节《稳固结构的探析》的第1课时———《结构与稳定性》。
在上一节课中, 学生已经了解了结构的含义, 认识了常见的几种结构, 本节课在上一节认识结构的基础上探究了结构的重要性质之一:稳定性。使学生对结构有一个更深的认识。教材通过对技术实验和案例式的探讨, 能提高学生的分析能力和培养学生的探究精神。
二、教学对象分析
本课教学对象是高二年级学生。学生们已经有一定的生活经验, 并且学习完“技术与设计1”后, 具备了一定的分析问题能力。学生在物理课上也已经学习了有关力学的知识, 对物体的受力分析有比较好的基础, 因此在学习本节内容时容易理解。教学中通过典型案例、多媒体演示、小试验等方法合理引导, 学生完全能够达到本节内容的学习目标。
三、教学目标
1. 知识与技能
理解结构的稳定性含义。通过试验分析总结影响结构稳定的主要因素。
2. 过程与方法
通过多媒体演示、案例分析、合作探究、小试验等方法分析影响结构稳定性的主要因素, 培养学生观察分析、协同合作、解决问题及动手操作能力。
3. 情感态度与价值观
培养学生观察、思维能力以及对通用技术学科的情感, 使学生体会到通用技术课程是很实用的, 从而主动参与, 在学习过程中体验乐趣, 同时达到德育渗透的目的。
四、教学重点、难点
重点:对结构稳定性的理解以及分析影响结构稳定性的主要因素。
难点:利用所学知识分析实际案例。
五、教学策略
图片导入, 今年汶川大地震过后, 很多结构被破坏, 播放图片资料, 让学生亲身感受到结构被破坏的情景, 再结合不倒翁演示试验, 引起学生对影响结构稳定性因素的兴趣。接下来结合大量的学生熟悉的身边的生活事例, 借助于学生动手试验, 引导学生探究影响结构稳定性的主要因素。让学生真正成为课堂的主人。
六、教学资源准备
多媒体, 不倒翁, 矿泉水瓶, 书, 陀螺等。
七、教学程序设计
教学过程如下:
为了突出新课程中教师引导学生自主学习的特点, 让学生在开放、自主的氛围中学习, 笔者将教学程序分为以下几个环节:
八、教学反思
网壳结构的整体稳定性分析方法 第9篇
1 概述
壳体结构的整体稳定性分析可以分为以下四类:1) 建立在有限元基础上的网壳结构非线性稳定分析。2) 建立在连续化假定基础上的等效稳定分析方法, 如拟壳法。3) 建立在参数分析和数据拟合基础上的网壳稳定设计分析方法。4) 基于缩尺试验的网壳稳定分析方法。下面分别针对每一种方法, 讨论其原理、研究现状及应用情况、优缺点等内容。
2 基于有限元方法的网壳非线性稳定分析
非线性稳定分析与所分析的具体对象有极密切的关系, 网壳结构非线性屈服路线跟踪算法又主要集中于平衡路径跟踪技术, 此外, 还有基于机构位移分析的屈曲路线跟踪技术。
2.1 平衡路径跟踪技术
目前的稳定分析集中于平衡路线的跟踪, 也就是全过程地描述荷载—位移关系[1]。传统的平衡路线跟踪技术是将平衡路线的跟踪分为三个阶段:第一个阶段称为前屈曲路线的跟踪, 或者称为第一平衡路线的跟踪, 跟踪是从能量零点开始直到临界点, 跟踪的目的是为了确定前临界荷载, 或称为上临界荷载;第二阶段是越过临界点寻找第二平衡路线的起点;第三阶段是跟踪后临界路线或称为第二平衡路线, 跟踪的目的是为了探测并确定后临界荷载或称下临界荷载。要得到失稳破坏的全过程, 就必须得到结构破坏的下降段曲线, 即要越过极限承载力的临界点[1]。
常用的Newton-Raphson法、增量法及其修正方法都失效, 需要新的技术。作为一种传统的跟踪策略, 对于前屈曲路线的跟踪各国学者做了大量的研究, 目前主要有人工弹簧法[2]、位移控制法[3,4]、弧长控制法[5]、自动求解技术、能量平衡技术和当前刚度法等。Victor[6]等对当前流行的数值方法进行评判比较, 认为修正的Crisfield等弧长法[7]是跟踪屈曲路径全过程最有效的方法。这些方法课程中已提及, 这里不再赘述。
2.2 基于机构位移分析的屈曲路线跟踪技术[8]
基于机构位移分析的屈曲路线跟踪技术是鉴于失稳的定义和失稳的机理, 结构的稳定作为一种广义稳定问题, 可以采用静力学和运动学相结合的全过程跟踪策略。全过程包括平衡路线和屈曲路线。跟踪应该分为五个阶段:第一阶段与传统的方法一样, 是前临界路线的跟踪;第二阶段在前临界路线后期搜索软化区, 并确定临界应力;第三阶段探测前临界点及确定临界荷载, 并进行运动模态的分析, 将已软化失稳区作为一个子结构, 求出其机构位移模态;第四阶段为经过模态综合确定屈曲类型, 并求出在这个临界应力和临界荷载水平时的稳定的状态作为第二平衡路线的起点;第五阶段不断卸荷, 跟踪第二平衡。
有限元分析方法适用性强, 计算比较准确, 现在已经成为整体稳定分析的主要方法。但是采用该方法计算荷载—位移下降段时比较难, 对计算机的性能有一定要求, 尤其是分析大型复杂的网壳结构时, 而且有限元结果的准确与否和分析人员的力学概念以及对有限元方法的掌握有关, 不同有限元模型之间可能存在较大误差。
3 基于连续化假定的网壳结构稳定分析[1]
拟壳法是基于连续壳的屈曲理论模拟分析网壳结构, 引用等效刚度条件得出等效壳的刚度和截面特性, 使相应的连续壳单元与离散杆单元表现出相等的变形。
对拟壳法的研究, 国内外许多学者做了大量的工作, 如Wright[9], Buchert[10], Pozo[11], 国内的胡学仁[12]、董石麟[13]等。
拟壳法能提供一个简单实用的稳定公式, 对有规则的常用结构的设计是适用的。其局限性也很明显:把壳的屈曲理论引入空间网壳结构的非线性分析, 还未建立一个合适的标准, 薄壳屈曲理论本身的缺陷还未被克服[14]。此外, 所讨论的壳体一般是等厚度的和各向同性的, 无法反映实际网壳结构的不均匀构造和各向异性的特点。
4 基于参数分析和数据拟合的方法
4.1 基于参数分析的拟合计算方法[15]
该方法思路如下:采用大规模参数分析的方法, 即结合不同类型的网壳结构形式, 在基本参数包括几何参数、构造参数、荷载参数、初始缺陷等常用变化范围内, 应用比较精确的有限元分析方法, 进行大规模的实际结构计算, 然后对计算结果进行统计分析和归纳, 考察网壳稳定性的变化规律, 最后从理论高度进行概括, 提出关于网壳稳定设计的实用方法。吴轶、沈世钊等采用该方法, 提出了单层双曲扁网壳的实用设计方法。
理想网壳在对称荷载下的极限承载力公式:
三向网格:
正交单斜网格:
其中, D为网壳的等效抗弯刚度, kN·m;B为网壳的等效薄膜刚度;R1, R2分别为双曲扁网壳两个方向的曲率半径, m。
4.2 网壳极限承载力的神经网络模拟方法[16]
该方法采用人工神经网络技术, 进行网壳极限承载力计算的拟合, 具体方法如下:采用克服遗忘的BP算法对网壳稳定性进行模拟, 首先给出进行网壳极限承载力神经网络训练的部分归一化的学习样本:前8项为输入指标, 分别为网壳的跨度μ1, 网壳的高度μ2, 材料的弹性模量μ3, 斜向杆的直径μ4, 斜向杆的管壁厚μ5, 环向杆的管径μ6, 环向杆的管壁厚μ7, 网络节点最大几何误差μ8, 第9项为神经网络的导师值μ9, 它是非线性有限元方法算出的网壳极限荷载值。
基于参数分析的拟合计算方法对于一般规则简单的网壳而言, 该方法是一种简单、有效的设计方法。但是由于网壳结构多样, 该方法对于复杂网壳结构不适用, 同时由于该方法是基于有限元方法拟合的结果, 计算精度一般不会高于有限元分析结果。
神经网络模拟网壳稳定分析是一种有效的拟合方法, 可应用于网壳结构设计、网壳结构可靠性分析等理论问题。但是神经网络拟合方法存在所需导师值较多、训练时间较长、一种网壳对应一个网络等缺点, 这些还有待进一步研究。
5 基于模型试验的研究方法
对于网壳结构, 虽然量大面广的有限元数值分析必不可少, 在允许条件下, 试验研究却是必要的而且是验证理论分析正确性和评价结构性能的最可靠方法。缩尺模型除了用于网壳力学性能与机理的研究外, 还可以用于估算结构的整体稳定承载力, 如同济大学丁洁民等人对安徽大学体育馆设计时采用了缩尺比例1∶6的模型试验[17], 图1为安徽大学体育馆试验模型。又如亚运会综合体育馆[18]、亚运会摔跤馆[19]等的网壳屋顶均进行过屋顶网壳的结构试验。
基于模型试验的研究方法结果直观, 并可以用于验算理论计算结果。在有限元方法应用有限及计算机能力还不高时, 这曾是一种相对准确的分析方法。但是该方法增大研究和设计成本, 缩尺模型与实际模型存在尺寸效应, 且模型试验控制的因素较多, 用模型试验估计实际模型承载力存在相对误差, 有时作为辅助计算和研究的手段。
高耸超静定桁架结构的稳定性分析 第10篇
桁架钢结构被广泛应用于重载高耸的机械结构和建筑结构中，如塔式起重机的塔身、吊臂，施工升降机的导轨架等。由于这些结构的可靠性直接决定了设备安全性，因此稳定性计算在设计中尤显重要，事实上相当比例高耸桁架结构的破坏是由结构失稳引起的。起重机设计规范中除了要求验算整体稳定同时要求验算各杆件的局部稳定[1]，很多文献介绍了整体失稳和局部失稳计算方法[2,3,4,5,6,7,8]。
目前，有限元法是计算大型桁架结构的最有效方法[9]。采用有限元进行结构稳定性分析时，不再区分整体失稳和局部失稳，即得到的稳定临界力包含了整体和局部失稳模态。因此，当采用有限元法对桁架结构进行稳定性分析时，只要载荷小于所计算的稳定临界力，结构既满足整体稳定的要求又满足局部稳定的要求。但是，工程中在计算超静定桁架结构时，有限元得到失稳临界力并非真正的结构失稳时的临界载荷，正如本文后面要讨论的一样，一旦局部失稳出现在整体失稳之前，当载荷达到或超过失稳临界力时，结构不一定失稳。
最为典型的事例如图1所示二杆对称桁架结构，杆的横截面积A1=A2，惯性矩I1=3I2,N1、N2分别为杆件1、2的轴力。由静力平衡方程有：P=(N1+N2)sina。因为两杆截面积一样且结构对称，在未产生单肢失稳前两杆的轴力相同。当惯性矩较小的杆2发生单肢失稳时，系统对应的载荷为Pcr(1)=2p2EI2sin3a/l2，然而杆2的失稳并不意味着结构承载力不能再增加了。对超静定结构而言，会导致结构受力分配的改变，杆2的承载力虽已达极限，而杆1的承载力仍可增加，直至失稳。不难看出，当杆1、杆2均失稳时，系统的临界力为Pcr(2)=p2(EI1+EI2)sin3a/l2=4p2EI2sin3a/l2，是Pcr(1)的两倍。甚至当我们考察去除杆2的情形时，发现系统的临界失稳力为Pcr(2)=3p2EI2sin3a/l2，也比Pcr(1)更大。显然以Pcr(1)为图1模型系统的稳定临界力是错误的。当我们用ANSYS或SAP84有限元软件对图1结构进行稳定临界力求解所得的结果竟然与Pcr(1)相同，因此这是明显的误判。事实上，用有限元软件分析工程中的实际结构时，经常会碰到局部失稳而整体不失稳的情况，有时整体失稳临界力远大于局部失稳临界力。因此，整体结构失稳临界力的确定成为稳定设计的首要问题。
采用有限元分析结构的稳定性时，如何克服通用有限元软件在计算超静定结构稳定临界力时的“误判”至关重要。本文探索基于ANSYS软件环境，进行适当二次开发，利用ANSYS可以求解复杂超静定桁架的真正稳定临界力。由于桁架结构本身的复杂性，为了简化，本研究将局限于平面问题，并从两端铰接杆组成的桁架系统入手。实际上，对于高耸桁架结构，杆件比较柔细，次内力比较小，杆件内力以轴力为主，将两端刚接杆系等效为两端铰接的杆系带来的误差极小[10]，并且桁架的计算结果略小于钢架的计算结果，设计结果偏于安全，是工程中切实可行的办法。
2 结构稳定理论有限元方法
结构稳定的能量准则可以表述为：弹性力学系统总势能∏的正定二阶变分是保证结构静力稳定的充分必要条件，即
体现在有限元理论中，系统的切线刚度矩阵KT正定，即结构稳定的临界条件为
如图2所示，考虑轴向变形的梁单元，由文献[11]的推导可知其精确的刚度矩阵为
上式的刚度矩阵是由精确的有限元方程得到的,包含了线性刚度矩阵K0和几何刚度矩阵Ks,用此精确的刚度矩阵分析结构的稳定性可以得到精确的解析解。
对于一般的桁架结构模型,设杆件的总数为n,如图3所示。
桁架模型的任意杆i在单元局部坐标系中刚度矩阵与式(3)相同，利用坐标转换，得到整体坐标系中的单元刚度矩阵
在式(4)中,a11=-Aili2/Ii;a22=(ai+bi)+ei2;a25=(ai+bi)li;cj=cos(ji);sj=sin(ji)。为以后论述方便,令
其中
A11i、A12i、A21i、A22i为22矩阵,其中元素与Ai对应;
B11i、B12i、B21i、B22i为12矩阵,其中元素与Bi对应;
C11i、C12i、C21i、C22i为21矩阵,其中元素与Ci对应。
将各单元刚度矩阵根据结构整体自由度组装成系统的整体刚度矩阵。桁架中几根杆件铰接在一起,那么这些杆件的铰接点处共用平动自由度,单元刚度矩阵中和这些平动自由度相关的刚度项叠加在一起。考虑到铰接处各杆件的转动自由度不发生相互耦合,一根杆件的转角自由度只和这根杆件的节点平动自由度有相互刚度,和其它杆件自由度的相互刚度为零;杆件的平动自由度也只和这根杆件节点的转角自由度有相互刚度,和其它杆件节点的转角自由度的相互刚度为零;以及去掉铰支座处节点的平动自由度。因此系统的整体刚度矩阵必然是一个带状稀疏矩阵,而且具体形式如下
组装整体刚度矩阵过程中，各单元刚度矩阵中Bi、Ci、Di的元素不会改变，只是将它们填入整体刚度矩阵中恰当的位置，Ai中的元素将根据共用自由度的情形来叠加。分析由Ci、Di构成的子阵,做不改变整体刚度矩阵行列式值的初等行变换,可将整体刚度矩阵化为类似下三角矩阵的形式。经过变换改变了Ai中的元素,Bi、Di中元素不变。整体刚度矩阵变换为
根据线性代数知识,结合式(2),桁架结构临界失稳的判别条件为jj
由文献[11]可知,当模型中杆i承受的荷载达到临界荷载时有det([Di])=0,这将会导致模型整体刚度矩阵的行列式为零。换而言之,有限元理论的结论是如果桁架模型中出现单杆失稳就认为整体结构失稳。图1所示的二杆超静定桁架失稳时就是这种情形,ANSYS软件分析获得屈曲荷载只是引起杆2失稳。而整体结构是超静定结构,在杆2失稳后仍具有承载能力,并没有真正失稳。因此ANSYS软件的结果并不是图1超静定结构真实的临界稳定荷载,引言提出的有限元软件“误判”现象就得到了解释,而且这是有限元软件对超静定结构做稳定性分析时出现的共性问题。基于此种情况编写了ANSYS二次开发程序来分析超静定结构的稳定性问题,充分挖掘超静定结构稳定承载能力。
3 基于ANSYS的结构稳定性分析软件开发
如前所述，采用有限元法计算所得的超静定桁架结构稳定临界力未必是表征结构失稳临界状态的受力情况。为了得到这类桁架结构失稳的临界载荷，对通用的有限元分析软件进行二次开发在工程中很有实际意义。杆件失稳形式通常是二类失稳，但不论发生一类失稳还是二类失稳，杆件在失稳后都仍具有一定承载能力[12]，而且一类稳定和二类稳定的临界载荷是基本一致的[13]。超静定结构在整体没有失稳之前杆件变形可用小挠度理论分析[14]，认为杆件的失稳是一类失稳来简化计算。当桁架结构出现单肢失稳时，如果继续增加载荷，失稳的杆件单元所受的内力保持临界值，并不会因外载增加而增加，此时，其它单元将分担增加的全部载荷，所以，从受力特性上来说此时的结构已经发生变化，要继续分析结构是否还有承载能力，必须对有限元分析模型进行相应的改动，建立起与实际结构受力相同的等效结构模型。本文基于ANSYS环境进行二次开发，在进行稳定分析过程中对结果进行分析，判断ANSYS得到的临界状态是否为单肢失稳临界状态，并进一步建立等效分析模型，继续稳定性分析，直到得到结构整体失稳时的临界载荷。
程序流程图见图4。
4 算例
4.1 简单桁架
例如利用最常见的有限元软件的特征值失稳模块求解图5结构的临界失稳载荷，杆1、杆2使用钢管Ø20mm，杆3采用钢管Ø12mm。采用ANSYS和SAP84计算的稳定临界力均为51.628kN;而采用本方法可以求得的临界载荷为128.843kN，由结构力学可以得到该结构的精确稳定临界力为128.73kN;与本方法计算结果几乎相同，显然本文方法可行。
4.2 典型的塔身结构
计算图6所示单个塔片结构的临界稳定荷载。其中弦杆用Ø505mm钢管，腹杆用Ø273mm钢管，±10 000N同时作用模拟加在模型上的弯矩，横向荷载2 000N模拟风载，P为施加模型上的垂直载荷。风载大小根据设计工况确定，弯矩可由起重设备的主参数决定，都可以视为常值载荷，垂直载荷是设计的主要关注载荷。
在ANSYS软件前处理器环境下建立结构的有限元模型。所有杆件均采用beam3单元，输入算例模型中的载荷参数。调用编写的稳定性二次开发程序，得到整体结构失稳过程如图7a、b所示，首先是结构中较弱的受压腹杆依次失稳，然后是结构下部的受压弦杆失稳，最终使模型成为几何可变结构而垮塌。程序的稳定性分析结果如表1。表中的各个临界力与各次失稳过程对应。其中第一次失稳时临界载荷103.368kN即为有限元软件直接求解得到的结果，远远小于模型真实的失稳临界载荷378.385kN。
5 结论
浅谈钢结构稳定性设计 第11篇
摘 要：钢结构因具有自重轻、强度高、工业化程度高等优点，在建筑工程中得到了广泛的应用，另一方面，因其结构失稳破坏造成的人员伤亡、财产损失的事故案例也常有耳闻，而失稳破坏的原因通常是结构设计缺陷所致。论文通过对钢结构稳定性设计的概念、原则及分析方法的总结，结合工程设计实践谈谈对钢结构稳定性设计的体会。
关键词：钢结构；稳定性设计；细部构造
稳定性是钢结构工程设计中需要重点考虑的内容之一，现实生活中因钢结构失稳造成的工程事故案例也较多，如美国哈特福特城的体育馆平面92m×110m的网架结构，突然于1978年坠落地面，原因是由于压杆屈曲失稳； 1988年我国也曾发生13.2m×18.0m钢网架因腹杆稳定不足在施工过程中塌落的事故； 2010年1月3日下午，昆明新机场38m钢结构桥跨突然垮塌，造成7人死亡、8人重伤、26人轻伤，原因是桥下钢结构支撑体系突然失稳， 8m高的桥面随即垮塌下来。从上述案例可以看出，钢结构失稳破坏的原因通常是其结构设计不合理，存在结构设计缺陷所致，要从根本上杜绝此类事故的发生，钢结构稳定性设计是关键。
一、钢结构稳定性设计的概念
（一）强度与稳定的区别强度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，因此它是一个应力问题。极限强度的取值因材料的特性不同而异，对钢材是取它的屈服点。稳定主要是找出外部荷载与结构内部抵抗力间不稳定的平衡状态，即变形开始急剧增长而需设法避免进入的状态，因此它是一个变形问题。例如轴压柱，当失稳时柱的侧向挠度使柱中增加很大的附加弯矩，从而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度，此时，失稳是柱子破坏的主要原因。
（二）钢结构失稳的分类1）有平衡分岔的稳定问题（分支点失稳）。完善直杆轴心受压时的屈曲和平板中面受压时的屈曲均属于这一类。2）无平衡分岔的稳定问题（极值点失稳）。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力，属于这一类。3）跳跃失稳是一种不同于以上两种类型的稳定问题，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。
二、钢结构稳定性设计的原则
（一）钢结构布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求目前钢结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架。保证这些平面结构不出现平面外失稳，需要从结构整体布置来解决，如增加必要的支撑构件等。要求平面结构构件的平面稳定计算需与结构布置相一致。
（二）结构计算简图需与实用计算方法所依据的简图一致当设计单层或多层框架结构时，通常不做框架稳定分析而只做框架柱的稳定计算。采用这种方法计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，应通过框架整体稳定分析得出，使柱稳定计算等效于框架稳定计算。《钢结构设计规范》（GB50017-2003）对单层或多层框架给出的柱计算长度系数采用了5条基本假定，其中包括：“框架中的所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临界荷载”，按照这条假定，框架各柱的稳定参数、杆件稳定计算的常用方法，是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者需确认所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。
（三）钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算应一致保证钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算相符合，是钢结构设计中需要高度注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在解决梁整体稳定时上述要求就不够了，支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在平面内转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。
三、钢结构稳定性的分析方法
钢结构稳定问题的分析都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究的结构或构件失稳时出现的变形相对应。结构变形与荷载之间呈非线性关系，稳定计算属于非线性几何问题，采用的是二阶分析方法。稳定计算所确定的不论是屈曲荷载还是极限荷载，都可视为所计算的结构或构件的稳定承载力。
（一）静力法即静力平衡法，是根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程，然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定：1）构件是等截面直杆。2）压力始终沿构件原来轴线作用。3）材料符合胡克定律，即应力与应变成线性关系。4）构件符合平截面假定，即构件变形前的平截面在变形后仍为平截面。5）构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。根据以上假定条件可建立平衡微分方程，代入相应的边界条件，即可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。
（二）能量法是求解稳定承载力的一种近似方法，通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。1）能量守恒原理求解临界荷载。保守体系处在平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为：ΔU =ΔW式中ΔU—指应变能的增量；ΔW—指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。2）势能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指：受外力作用的结构，当位移有微小变化而总势能不变，即总势能有驻值时，结构处于平衡状态。表达式为：dΠ=dU-dW =0式中dU—指虚位移引起的结构内应变能的变化，它总是正值；dW—指外力在虚位移上作的功。
（三）动力法处于平衡状态的结构体系，如果施加微小干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相同，即使撤去干扰，运动仍是发散的，因此结构的平衡状态是不稳定的。临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载，可由结构的振动频率为零的条件解得。
四、结语
相信通过加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计，克服结构设计缺陷，其应用的领域会越来越广泛。
参考文献：
[1] GB50017-2003，钢结构设计规范，[S].
建筑结构的稳定性 第12篇
MEMS系统微型化与高度集成的特点,满足了现代电子仪器设备体积小、重量轻、能耗低和智能化的要求,它在航空航天、弹药、医疗、汽车电子设备方面有着广泛的应用前景。但由于MEMS器件通常由大量可动结构组成,各种工艺、环境和外界引入的应力和变形都对其有潜在影响,特别是大块结构键合、互连和键合的MEMS封装工艺,更是会对器件性能乃至可靠性产生不易预测的干扰。因此,研究MEMS器件的封装效应及其机理成为提高MEMS产品实用性和可靠性的重要课题。
芯片粘接是封装中重要的一步。芯片材料和衬底材料的热弹性耦合将会引起应力分布和形变,导致封装效应[1]。这种封装效应对MEMS器件的影响十分重要,因为MEMS本身是可动结构,对应力和变形都敏感。针对此类问题,研究者们理论分析并利用云纹方法观测了芯片粘接体在热载荷下的表面变形[2],研究了芯片粘接对表面MEMS器件性能的影响[3,4,5],指出粘接对MEMS器件力学性能有不容忽视的影响。但除了性能受到影响外,MEMS器件的可靠性也很可能会受到芯片粘接工艺的影响,并导致封装后MEMS器件状态改变乃至彻底失效。本文研究了封装后MEMS典型器件的结构稳定性问题。通过理论和实验研究,明确了封装后MEMS器件稳定性状态性质的改变原因;对封装前后器件行为进行力学建模,获得解析模型,该解析模型可用于MEMS稳定性失效预测和优化设计。
1 理论分析
MEMS常采用与传统IC工艺兼容的表面硅微加工方式,通过先在牺牲层上形成平板或梁,再腐蚀牺牲层得到所需的结构。由于淀积和退火过程中的温度变化,致使结构中产生残余应力。当应力非常显著时,在腐蚀牺牲层、释放结构的过程中会引起结构的失稳和弯曲。
将结构从腐蚀液中取出后,由于毛细力等一系列微观力的作用,梁的形貌将发生变化。对于向上屈曲的梁,根据毛细力的大小可能出现以下几种情况:依然为上屈曲,梁向下弯曲但还没有与衬底接触,梁与衬底发生黏附;而对于平直梁来说,则有可能发生向下的弯曲或者依然保持平直。对于上屈曲的梁来说,结构封装过程中引入的拉应力或压应力只会对其性能诸如谐振频率产生影响,而与黏附无关。对于释放后下屈曲的梁来说,封装引入的拉应力或压应力会对其性能和黏附情况产生影响。如果封装引入的是拉应力,对于原来不黏附的下屈曲梁来说,其性能会受到影响;而对于已黏附的下屈曲梁来说则有可能解黏附。如果封装引入的是压应力,对于原来黏附的下屈曲梁来说黏附程度加剧,改变黏附形貌,而原来不黏附的下屈曲梁则有可能发生黏附。下面分别讨论封装对双端固支梁的谐振频率、临界黏附长度和电阻等性能参数的影响。
对于封装前后均为上屈曲的双端固支梁,谐振频率是反映封装对其性能影响的一个重要参数。屈曲固支梁横向振动的谐振频率表达式为[6]
E′=E/(1-ν2) ρl=ρ t
式中,l、E、ν、t、I、ρ、ε分别为梁的长度、弹性模量、泊松比、厚度、惯性矩、体密度、应变;h为梁与衬底的间距。
平直梁的谐振频率是式(1)右下角元素β-π α的代数余子式的解。特别是对于平直梁纵向振动的一阶固有频率f1,可以应用能量法将其近似简化为
封装前后应力的变化将引起应变ε的变化,从而导致谐振频率的改变。
结构从释放液中取出后,在毛细力等微观力的作用下,梁的表面形貌会发生改变,导致梁由于屈曲、黏附或者在屈曲和黏附的综合作用下与衬底接触。对于仅由屈曲引起的接触,梁的临界黏附长度ld可由下式求得[7]
临界黏附长度ld是使梁在释放结束后不发生黏附的最大梁长。对于仅由黏附引起的接触,梁的临界黏附长度表达式为
式中,γs为表面黏附系数。
式(3)、式(4)不能推算屈曲和黏附综合作用下的临界黏附长度。对于屈曲梁的黏附行为,可以用能量法并引入剥离系数Np推导。已黏附的双端固支梁,考虑残余应力后的总能量UT可表示为
UT=UE+US (5)
式中,UE为考虑应力后的弹性形变能;US为黏附能。
弹性形变能和黏附能可分别表示为
US=2γsxs (7)
u(x)=hf(η)=h(1-η2)2
式中,xs为梁已黏附部分的长度。
令
系统达到黏附的临界状态时应有
当β=1时,梁可以完全剥离,剥离系数为
式中,σ为残余应力和封装引入的应力之和。
从式(10)可以看出:若封装引入的为压应力,则Np的值比没有考虑封装应力时小,即考虑封装引入的应力后,Np值减小,使原本可以正常工作的微梁发生黏附。若封装引入的为拉应力,则Np值变大,从而可以使已黏附的结构解黏附。若令Np=1,则反解出的临界黏附长度为
2 结构设计与实验
硅微机械表面加工的多晶硅梁结构作为一种经典测试结构已得到广泛的研究和认可。本文选取基于该结构的双端固支梁器件作为测试结构来评估封装效应。实验用的两层多晶硅梁结构利用MEMS表面微加工技术实现,经北京大学微电子所的工艺线流片得到。在硅衬底上生长了约300nm厚的一层二氧化硅和180nm的氮化硅;第一层多晶硅厚度为0.3μm,并光刻出激励块和接触块两个部分,结构层与第一层多晶硅之间的PSG(phospho silicate glass,磷硅玻璃)牺牲层厚2μm,结构层淀积了2μm的多晶硅,梁锚区部分溅射了金属铝作为引出,前道工艺结束后,将硅圆片划成芯片,得到未释放的芯片样品。将该样品在40%HF溶液∶NF4F ∶甘油∶水=25mL∶40g∶20mL∶46mL的溶液里释放20～25min,获得可动器件结构,再用去离子水、丙酮、乙醇分别清洗,并红外烘干,得到未封装的芯片样品。再选用日本富士公司生产的型号为CB602的CRCBOND红胶,将该芯片和略大于芯片尺寸的FR4基板黏合。按照该红胶的固化程序,在120℃下固化2min,就可得到图1所示的贴片封装后的芯片样品。
实验中采用德国Polytec公司的激光多普勒仪(laser doppler vibrometer,LDV)测量记录各双端固支梁在贴片前后的谐振频率。该LDV型号为MSV-400M2-20,采用速度解码方式和6400线的FFT后处理算法,可以直接测出激光光点位置的物体在所给定频率范围内的振动频谱。测量时将样品用双面胶粘贴在PZT压电陶瓷激振片上,PZT带动整个芯片振动,提供器件结构的基础激励。结构对谐振频率处的激励频率分量响应最强烈,形成谐振峰。通过测量、比对结构和衬底上关键位置处测得的幅度频谱,最终得到结构的谐振特性幅频图(图2)。
仍采用德国Polytec公司的激光多普勒仪测量记录各双端固支梁在贴片前后的黏附长度。测量时由PZT带动整个芯片振动,提供器件结构的基础激励。对待测梁进行扫频,根据梁在谐振频率附近的振动情况判断梁是否黏附并读出已黏附长度,如图3所示。
采用TZ-103型手动探针测试台和Fluke万用表进行电阻的测量,分别将探针压在固支梁的两端锚区(测量梁电阻)及左锚区和下电极之间(测量上下电极间电阻),由Fluke万用表读出电阻值。由于探针台光源功率较大,可认为前后两次测量时芯片周围环境近似恒定,不受环境因素影响。
3 实验结果与结论
实验在温度为25℃、相对湿度为60%的环境下进行。用LDV、Fluke万用表和探针台分别测试封装前后悬臂梁和固支梁的谐振频率、电阻和黏附长度的变化。图4所示为对比实验和本文理论计算的封装前后固支梁和悬臂梁谐振频率的变化情况。各参数的取值如表1所示,其中几何参数和材料参数均由工艺线提供,内应力值则由陪测的微偏转式应力计测得,如上所述,该应力为工艺引入的内应力和封装引入的应力之和。对比贴片前后固支梁幅度谐振特性的测量结果(图4a)可以发现,封装后一阶模态频率发生一致而显著的偏移,且偏移幅度均在13%～15%范围内。从图4b中一阶和三阶谐振频率的测量结果可以看出,悬臂梁的谐振频率在封装前后并没有太明显的变化,这是因为悬臂梁一端固定一端可动的结构可以将封装引入的应力很好地释放掉,故对谐振频率影响甚微。本文实验采用的是屈曲状态下的理论模型,由于芯片粘接引入的压应力作用,双端固支梁由非屈曲状态进入屈曲状态,结构稳定性已遭到破坏。
图5所示为封装前后固支梁左锚区和下电极间电阻的变化,可见封装后电阻值有了明显的减小,原因是梁向下屈曲导致梁和衬底间距减小乃至接触所致。这进一步证明封装引入的是压应力,该压应力导致原本悬浮在衬底上的双端固支梁与衬底发生接触,使自由运动的器件增加了约束条件,破坏了器件的稳定性。由图5b可看出,固支梁的已黏附长度xs封装前后的差值Δxs=xs2-xs1(xs1、xs2分别为封装前后已黏附长度)随着梁长l的增大而增大,说明封装效应对于长梁尤其是长度大于600μm的梁影响非常显著,而实际应用中此种长度的梁也非常常见。通过式(10)和表1的参数可计算得到封装前较小压应力下固支梁的临界黏附长度ldp为617μm,而封装后较大压应力下固支梁的临界黏附长度减小为343μm,导致几乎所有长度的固支梁样品均发生不同程度的黏附。因此,对于较短长度的梁,也可观察到封装前后已黏附长度ldp的变化,证明封装前后的梁都已发生由不黏附状态到黏附状态的改变,但只有梁长l大于封装前临界黏附长度ldp的梁,已黏附长度xs的改变程度更大。其原因在于梁长小于封装前临界黏附长度的梁,在封装前后只是从不黏附状态过渡到刚刚黏附的状态,而梁长度大的梁则发生从刚刚黏附到充分黏附的变化。这从侧面验证了临界黏附长度计算结果的有效性。梁越长,封装后的临界黏附长度ldp变化越大,稳定性改变得越显著。
4 结束语
本文分析了封装对临界剥离系数Np的影响,并实际测量了MEMS固支梁和悬臂梁由于贴片工艺的热致封装效应而发生的性能变化。实验表明:热致封装效应对MEMS器件性能的影响不仅显著,而且会随着器件类型的不同而表现出多样的影响趋势。结果显示,封装-器件耦合影响谐振频率、接触电阻等重要参数,芯片粘接工艺对微梁结构单轴应力的方向和大小以及结构刚度都会产生明显影响,从而使可动的微结构发生黏附,改变结构的稳定性。这种结构稳定性的改变已经导致器件本质特性的改变,影响器件的可靠性,且无法通过校准等加以补偿,在MEMS元器件设计过程中需要加以重视。
摘要：由可动结构组成的MEMS器件容易受到封装工艺引入的热失配应力的影响。这种影响不仅会改变器件性能,还会影响其可靠性。从MEMS结构稳定性角度研究封装效应,阐明封装可能彻底改变MEMS的结构稳定性状态,产生屈曲、黏附等可靠性问题。在传统结构黏附模型上,分析了屈曲梁的振动特性和黏附行为。通过表面加工多晶硅梁结构的实验,结合理论模型证明,常规芯片粘接工艺会在梁结构中引入显著压应力,完全改变器件的稳定性状态,并使谐振频率和接触电阻这两个参数发生显著变化。
关键词：微机电系统封装,热失配,结构稳定性,黏附
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建筑结构的稳定性
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