钢结构稳定性设计探讨

牛耘祉

【摘要】本文作者对钢结构稳定性的概念进行介绍，对钢结构设计原则进行阐述，通过分析，并结合自身实践经验和相关理论知识，对建筑钢结构稳定性设计的相关方法进行探讨。

【关键词】钢结构；稳定性设计

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层出不断，而失稳破坏的原因通常是结构设计缺陷所致。

1 钢结构稳定性的概念

1.1 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。相对一般建筑材料钢结构是高强度材料。

稳定主要是由外部荷载与结构内部抵抗力间不稳定的平衡状态，致使部分杆件应力集中，产生较大的变形，进而使整个结构进入受力不合理或破坏状态，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应力远远低于它的抗压强度，此时，失稳是柱子破坏的主要原因。

1.2 钢结构失稳的分类：

1.2.1 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。

1.2.2 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。

1.2.3 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。

2 钢结构设计原则分析

首先，结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求。目前结构大多数是按照平面体系来设计的。保证这些平面结构不出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件出的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，基于同样原因，需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系。其次，结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。目前在设计单层和多层框架结构时，常采用框架柱的稳定计算。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，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。第三，设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使两者有一致性。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋予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。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。支座还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。

3 钢结构稳定设计的主要特点

钢结构由于其高强度和良好的抗震性在建筑中得到了越来越广泛的应用，钢结构不仅能够节省空间，而且还能降低工程成本，但是稳定性是钢结构的一个突出问题。钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了鋼结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，是目前亟待解决的首要问题。

3.1 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。

3.2 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。稳定分析必须从整体着眼。

3.3 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，还有一些其他特点需要引起重视。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，在弹性稳定计算中不能应用。这是因为迭加原理的应用应以满足材料变形服从虎克定律，应力和应变成正比，结构的变形很小等两个条件为前提。而弹性稳定计算一般均不能满足结构变形很小的条件，非弹性稳定计算则两个前提都不符合。

了解了在钢结构设计中应该明确的一些基本概念，有助于我们在设计中更好地处理稳定方面的问题，随着新型钢结构体系的不断发展，我们对稳定问题的研究要求也必须不断地提高，之所以在设计中出现结构失稳问题，另一个重要原因就是我们对新型结构稳定知之甚少，这也是目前钢结构稳定研究中存在的问题。

4 建筑钢结构稳定性设计的相关方法

4.1 综合考量

在布置建筑钢结构的形式时，需要综合考量钢结构中不同组成部分所需求的稳定性、以及建筑整体稳定性能等多项内容。目前在我国设计钢结构的稳定形式时，通常将平面体系范围作为设计的出发点，例如框架结构。所以在计算钢结构平面稳定的设计值时，应确保其与计算结构构件布置的方法相同，例如在计算前者时，应考虑到是否增加计算支撑构件受力强度等。

4.2 计算方法

实际计算时的计算方法所依据的稳定设计简图、应与计算实体结构稳定性所依据的简图保持一致。在一般情况下，分析框架所具有的稳定性水平以及分析框架结构的工作都比较粗糙，部分建筑工程甚至不进行该项工作，仅仅是计算框架柱设计时的稳定值。因为计算杆件稳定值时所依据的模型，均为假设模型或简化模型，所以为了确保计算钢结构的稳定值符合要求，则应使计算方法所依据的稳定设计简图与计算结构稳定性水平所依据的简图保持相同。

4.3 钢结构住宅的平面布置要对称与规则

在设计住宅的钢结构时，应注意钢结构类型的住宅分为多层住宅与低层住宅两种，别墅为低层住宅，而公寓则为多层住宅。相关标准中提出，钢结构类型的住宅宜控制在12层以下，以满足抗压以及抗震要求。钢结构构件的布置形式直接影响着建成后建筑的抗震性能，所以在布置钢结构平面时，力求做到对称、规则布置，受力传递明确，避免在出现地震时，遭到较大的破坏。

4.4 应用计算机做辅助工具

当前，计算机设计软件技术得到了较快的发展，因此，可以在设计钢结构时，应用计算机作为辅助工具，并在计算机的帮助下完成整体稳定以及平面构件强度的计算；设计人员则只需计算结构的稳定性以及结构强度，考虑合理的结构布置及支撑设置。因此计算机的介入使得稳定性设计过程变得相对方便，工作效率也得以提高。

4.5 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。

5 结束语

建筑钢结构稳定性设计一直是一个研究热点，现在建筑工程，由于其功能的复杂和多样化，对于钢结构的稳定性要求也越来越高，需要我们不断努力才行。

参考文献：

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