钢结构稳定性设计的研究与分析

龚海龙，侯舒兰

中南大学土木建筑学院，湖南长沙 410075

钢结构稳定性设计的研究与分析

龚海龙，侯舒兰

中南大学土木建筑学院，湖南长沙 410075

本文在分析钢结构强度与稳定的区别、钢结构稳定性研究中存在的问题、钢结构设计的原则与特点的基础上，进一步阐述了钢结构稳定性加固的方法和注意的问题。

钢结构；结构稳定；结构设计；加固

由于设计者的经验不足及对结构整体和构件的稳定性不够清楚，钢结构设计中易出现结构失稳事故，对于这个问题处理不好，将会造成不应有的严重损失。

1 强度与稳定的区别

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是否超过建筑材料的极限强度，因此，这是一个应力问题。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，侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩，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。

2 钢结构稳定性研究中存在的问题

1）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，梁-柱单元不一定能真实反映网壳结构的受力状态，主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应，在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，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。

2）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，所以，应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。

3）钢结构稳定理论的不完善，钢结构设计中一般都是把钢结构看成是完善的结构体系，在设计中我们没有考虑一些随机因素的影响，一般情况下把影响钢结构稳定性随机因素分为3类：（1）物理、几何不确定性：如材料(弹性模量，屈服应力，泊松比等)、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等；（2）统计的不确定性：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，带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏数据造成的；（3）模型的不确定性：为了对结构进行分析，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映的种种因素，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。

3 钢结构设计的原则

1）结构整体布置必须考虑整个体系以及构件局部稳定性的要求

保证平面结构不致出出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致，由平面桁架组成的塔架，需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系。

2）结构计算简图和实用计算方法所依据的简图必须一致

目前，任设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折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,才能使柱子的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，需要设定一些不符合实际的典型条件。

3）细部构造结构的设计和构件的稳定计算必须一致

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这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的，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，支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平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。

4 钢结构稳定设计特点

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；2）稳定性整体分析：杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体。稳定分析必须从整体着眼；3）稳定计算的其它特点：在弹性稳定计算中，除了需要考虑结构的整体性外，还有一些其它特点需要引起重视，首先要做的就是二阶分析，这种分析对柔性构件尤为重要，这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响；其次，普遍用于应力问题的迭加原理。

5 钢结构加固方法

钢结构加固的主要方法有：减轻荷载、改变结构计算图形、加大原结构构件截面和连接强度、阻止裂纹扩展等。当有成熟经验时，亦可采用其它加固方法。

5.1 改变结构计算图形

改变结构计算图形的加固方法是指采用改变荷载分布状况、传力途径、节点性质和边界条件，增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等措施对结构进行加固的方法，增加支撑形成空间结构并按空间结构验算，加设支撑增加结构刚度,或者调整结构的自振频率等以提高结构承载力和改善结构动力特性，增设支撑或辅助杆件使结构的长细比减少以提高其稳定性，在排架结构中重点加强某一列柱的刚度，使之承受大部分水平力，以减轻其它柱列的负荷，在塔架等结构中设置拉杆或适度张紧的拉索以加强结构的刚度。

5.2 对受弯杆件可采用下列改变其截面内力的方法进行加固

改变荷载的分布，例如将一个集中荷载转化为多个集中荷载，改变端部支承情况，例如变铰接为刚结，增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构，调整连续结构的支座位置；将结构变为撑杆式结构，施加预应力，加设预应力拉杆。加大构件截面的加固采用加大截面加固钢构件时，所选截面形式应有利于加固技术要求并考虑已有缺陷和损伤的状况。

5.3 连接的加固与加固件的连接

钢结构连接方法,即焊缝、铆钉、普通螺栓和高强度螺栓连接方法的选择，应根据结构需要加固的原因、目的、受力状况、构造及施工条件，并考虑结构原有的连接方法确定。钢结构加固一般宜采用焊缝连接、摩擦型高强度螺栓连接,有依据时亦可采用焊缝和摩擦型高强度螺栓的混合连接。当采用焊缝连接时，应采用经评定认可的焊接工艺及连接材料。

6 结论

钢结构稳定问题是很复杂的，尤其当构件存在初始缺陷、残余应力以及非线性因素的影响时，就更增加了解决稳定问题的难度。另外，在工程结构稳定性的研究领域中，还存在很多尚未解决的难题。比如：大跨度桥梁、大跨度薄壳、大跨度大空间网壳、高层与超高层建筑结构的双重非线性动力稳定性等问题，只有深入研究并解决这些难题，钢结构稳定设计理论才会不断地完善。

[1]罗建华.钢结构稳定性设计计算要点.新疆石油科技，2000（8）.

[2]郑金泰.探究钢结构稳定性设计，2008（29）.

[3]吴文德.浅析钢结构的稳定设计.吉林工程技术师范学院学报，2008，8.

[4]陈铭，何丽丽，巩伟平.浅谈钢结构稳定性设计.山西建筑，2008，2.

TU2

A

1474-6708（2010）22-0024-02