钢结构设计中稳定性分析探讨

孙菁丽

（亨特建筑构件（厦门）有限公司，福建 厦门 361000）

1 结构体系的结构布置

1.1 框架—支撑体系

多层住宅框架体系和框架一支撑体系的梁柱截面可采用轧制或焊接H 形截面、方钢管等，支撑构件多采用角钢或部分T 型截面，在7 °抗震设防区多层住宅的用钢量多在35～40Kg/m2。在结构平面布置上宜采用大柱网、大开间的结构布置形式，柱距5～8m 较常见.框架柱在房屋横向、纵向成列布置、不宜错开太多，若设置支撑构件时，应注意避让门窗洞口或设在无孔口的分户墙中。

1.2 交错桁架结构体系

交错桁架结构体系的基本组成是柱子、桁架、梁和板。柱子仅布置在房屋周围，不设中间柱。桁架跨度等于建筑全宽，高度等于楼层高度，桁架两端支承在外围柱上，在相邻柱轴线上为上、下层交错布置，而楼板一端支承在桁架的上弦杆，另一端悬挂在相邻桁架的下弦杆。建筑纵向外围各柱通过连梁连接，建筑水平荷载主要被桁架中斜腹杆轴力的水平分量所平衡，水平荷载最终通过落地桁架的斜腹杆或底层斜撑传至基础。桁架杆件截面可采用角钢、焊接T型、H 型或方管截面，柱截面通常采用H 型、钢管等。交错桁架结构体系中杆件受力合理，大部分杆件以受轴心力为主，用钢量节约，在7 °抗震设防区，其用钢量较框架结构节约10%左右，当建筑横向尺寸较大，这一优势将更明显；桁架结构抗侧移刚度大，位移也较小，柱强轴可布置在纵向，以加大结构纵向侧移刚度。交错桁架结构体系结构布置时注意使一层桁架的斜腹杆落地(与基础梁连接)或通过底层斜撑传至基础，否则结构水平位移过大，难以满足规范要求。还应注意水平、竖向结构布置要做到规则对称。从结构布置上说，交错桁架结构体系可以提供两倍于框架结构体系的更大开间，进深也大大增加，可以提供更大的使用面积。此外，交错桁架结构体系柱子数目较少，所以基础数量较少，能够进一步节约材料。

在钢结构设计中采用何种结构体系，应综合考虑多种影响因素，而对钢结构设计中稳定性产生影响的主要因素有节点连接刚度、荷载条件、层间相互作用等。

2 节点连接刚度的影响

在传统的设计和分析中，为了简化结构设计分析过程，通常将钢结构梁柱节点的连接假定为理想铰接或完全刚接。理想铰接意味着梁柱不能传递弯矩，完全刚接则认为框架在受荷变形后，梁柱夹角保持不变。随着钢结构节点连接形式的增多，试验结果证明，在荷载作用下，有些节点连接不能单纯归类为刚性连接或理想铰接，而应称为半刚性连接。半刚性节点连接是部分约束连接，兼有刚性连接和理想铰接的优点，如果将半刚性连接简化为理想铰接，则会高估框架的侧移量而增大P-△效应的影响，低估了梁柱的连接刚度，使柱的稳定极限承载力理论值偏低。如果将半刚性连接简化为刚接，则结果相反。

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如图l 所示，考虑A、B 两节点刚度变化对框架的稳定承载力加以分析，视A、B 两节点的刚度相同。梁柱的钢材均为Q235 钢，E=2.06×105MPa，I=8.33×108mm4；当 A、B 节点为刚接时稳定承载力特征值为7.9017；当A、B 节点为铰接时稳定承载力特征值为2.6463；分析结果如图2 所示，可以较明了地看出，节点的半刚性连接对钢框架的稳定承载力有显著的影响，当节点刚度为 1×108～5×109N ·mm 时(表1)，其对钢框架的稳定承载力变化影响较显著。

3 不同荷载工况的影响

文献[3]在条文说明中对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了5 条基本假定，其中1 条是框架中所有的柱子是同时失稳，即各柱同时达到其临界荷载。但实际结构常常是结构不对称或荷载不对称甚至两者都不对称，如图3 所示，当失稳柱侧移时带动其他未达到临界状态的柱子一起侧移，将对侧移产生阻碍作用，从而使此柱推迟失稳。由于整体性，该柱的稳定承载力值有所提高，其值大于规范给出的数值，其结果是两根相同的柱在不同的荷载作用下同时失稳。如图3所示，梁柱的钢材均为Q235 钢，E=2.06×1O MPa，I=2.76×108mm4。

如图4 所示，梁柱的钢材 均为 Q235 钢，E=2.06×105MPa，I=2.76×108mm，同层柱相互作用在5 跨前的作用较为明显，为1%～3% 。运用有限元分析软件ANSYS对此单层框架进行分析，求得各荷载工况下的稳定承载力列于表2。对比可知，当框架各节点的承载力不同时，对钢框架的稳定承载力有着较大的影响。

4 同层间相互作用的影响

图1 单层多跨框架示意图

框架结构中柱子并不是独立存在的，而且柱子的边界条件也不是固接、铰接、自由等理想的情况，柱子的端部要受到与它相连的其他构件的弹性约束。框架有侧移失稳时，单根柱总是与同一层的其他柱同时失稳，不会单独失稳，即同一层柱的柱间存在相互作用，该方面已有相关研究[4]，并在此基础上改进了钢框架稳定承载力的公式。

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5 结语

通过以上分析可见，荷载条件、节点连接刚度、同层间相互作用等对稳定承载力有着较大的影响，特别是节点刚度，而对半刚性连接形式，我国现行规范未有明确的解释，故在钢框架结构设计过程中应充分考虑上述因素对其稳定承载力的影响。

[1]张耀春，周绪红.钢结构设计原理[M].北京：高等教育出版社，2004：1-2.

[2]周绪红,莫涛,刘永健.轻钢交错桁架结构体系与钢框架的对比分析[J].钢结构,2001,2.

[3]GB 50017-2003 钢结构设计规范[S].

[4]陈骥.钢结构稳定：理论与设计[M].北京：科学出版社，20O1.

[5]杨文惠，王燕.半刚接钢框架柱的稳定分析方法[J].钢结构，2005，20(3)：21-25.

[6]郑廷银.钢结构高等分析理论与实用计算[M].北京：科学出版社，2007.