钢结构稳定性分析及加固方法研究

张博 于毅 夏宗发 郭凯

摘 要：钢结构工程是现代建筑工程中较普通的结构形式之一，具有稳定性和抗震性能好等特点。钢结构设计中的突出问题之一就是结构的稳定性，如果设计不当，出现失稳现象将直接影响到工程的质量和安全。在现实生活中，很多工程事故案例都是因为钢结构设计不合理，存在结构设计缺陷所致。为了避免类似事故的发生，该文从钢结构失稳的分类、钢结构稳定性设计的基本原则、钢结构加固的方法等三个方面详细分析了有关设计经验及原则，并提出了有针对性的对策和建议。

关键词：钢结构 稳定性 设计原则 加固方法

中图分类号：S61 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（a）-0063-02

钢结构设计中的突出问题之一就是结构的稳定性，无论何种类型的钢结构，都应当考虑其失稳问题。如果钢结构的失稳设计不当，将会存在事故隐患，造成不应有的损失[1]。因为钢结构失稳导致的工程事故案例在现实社会中已发生多起。例如，2010年1月3日发生的昆明新机场38 m钢结构桥跨垮塌事件，造成7人死亡、8人重伤、26人轻伤，发生事故的原因是桥下钢结构支撑体系突然失稳，8 m高的桥面随即垮塌下来。究其造成事故的原因通常是由于设计者的经验不足，结构设计不合理，导致结构设计存在缺陷，因此，要从根本上避免类似事故的发生，钢结构稳定性设计是关键。

1 钢结构失稳的分类

1. 1 具有平衡分岔的稳定问题

钢结构轴心受压构件在完好的情况下，当端部受到荷载压力时，所承受的压力小于等于某一限值时，构件保持平直，构件截面承受着均匀的压应力，即使沿轴线所产生的状况也只是压缩变形。相反，如果当端部受到荷载压力时，所承受的压力大于限值时，构件会突然发生弯曲，导致原有的轴心受压平衡形式发生改变，从而出现分支点失稳，即平衡分岔的稳定问题[2]。完善的（即无缺陷、挺直的）轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板的失稳都属于这一类失稳问题。从设计的角度看，这类钢结构具有承担大于屈曲荷载的承载能力，即具有屈曲后强度，因此，这种屈曲破坏是有预兆的延性破坏。

1.2 无平衡分岔的稳定问题

无平衡分岔的稳定问题，即极值点失稳，这种现象比较普遍，常常出现在钢结构设计中。该失稳主要是由于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，从而导致平衡形式发生改变出现失稳。在通常的实际操作中会把极值点失稳转换为分支点失稳来进行处理。

1. 3 跃越失稳问题

这类失稳不同于以上两种类型，其既无极值点，又无平衡分岔点，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。例如，扁壳、坦拱、空间桁架和扁平的网壳有可能发生跳跃失稳。但在实际工程中是不允许出现这样大的变形，所以应该以临界荷载作为承载的极限。从设计的角度看，这此类结构的跨高比越大，临界荷载越小。初始几何缺陷对结构的临界荷载影响不大。

由此可见，区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才能正确估量结构的稳定承载力。设计为轴心受压的构件，实际上总不可避免地会有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有偏心。因此，要真正掌握这种构件的性能，了解缺陷对它的影响，其他构件也都有缺陷影响问题[3]。

2 钢结构稳定性设计的基本原则

在钢结构设计过程中，要综合考虑建筑的实际情况以及建筑使用要求，最大限度的确保所设计的钢结构可以很好的符合标准。在设计中，应当在满足稳定性和强度的前提下，最大可能的降低钢材使用量，减少钢结构的自重，以便可以在出现较大负荷的情况下，使得钢结构具备良好的承载能力。在施工过程中，还应当减少不必要的安装实践和制造实践，以便可以更好的运输和维护钢结构，使总成本能够有效降低。除此之外，所设计的钢结构还应尽可能地具备一定的审美价值[4]。

3 加固钢结构的方法

钢结构的稳定性会受到施工过程中的诸多外界因素影响，因此，在钢结构稳定性设计中，需要借助一些必要的加固方法对钢结构进行加固，确保其整体稳定性可以满足建筑使用要求，这对提高建筑物的整体性能具有重要意义[5]。为了提高钢结构的稳定性设计质量使其满足建筑使用要求。目前，对钢结构稳定性加固的主要方法有：对结构计算图形进行改变加固、减轻荷载、连接点加固、纤维增强复合材料结构加固等。

3.1 改变结构计算图形的加固

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、节点的性质和边界条件等[6]，通过合理增设附加杆件和支撑来对结构施加预应力，同时还要考虑空间协同因素的应用，这样就可以使钢结构的稳定性得到进一步强化。

例如，某医院的钢结构大厅存在构件截面选择不当等问题，陈耀等[7]针对上述问题重新对该结构进行内力和位移验算。依据验算的结果、现场检测获得的材料及结构性能参数，采用体外预应力技术对不满足要求的構件进行加固，加固后的钢结构大厅，钢梁的挠度和承载能力均可满足规范及正常使用的要求。该加固方法是将预应力筋布置在待加固构件的截面之外，通过改变结构的传力路径减少构件的荷载效应，同时改良原结构承载力的一种加固技术，不仅改善了梁的承载能力，还改善了构件的变形性能。

3.2 减轻及改变荷载的分布

通过受弯杆件荷载的改变，把单独的集中端部支撑荷载承受转变为多个的端部支撑的荷载承受并进行相应的加固。在选取截面进行加固时，一定要注意到截面的形式，其须具有实际的加固缺陷与损伤满足的加固要求，这样才能确保钢结构变得更加稳定[8]，这样也是改善钢结构稳定性设计的有效方法。

3.3 连接点加固

钢结构的节点连接是钢结构整体作用的关键环节，在设计和施工过程中，要做到“强节点，强连接”。钢结构连接加固的方法，即采用焊缝、铆钉、普通螺栓或高强度螺栓等方式对钢结构进行连接加固。在实际工程中应首先依据结构加固的原因和目的、钢结构实际受力情况和构造等进行分析后，再确定固件连接方式。一般情况下，采用焊缝连接的过程中，注意要选用已被确认的焊接工艺与连接材料进行焊接加固，以确保钢结构稳定性。王元清等[9]根据现行设计规范对某钢结构办公楼工程钢管桁架T型节点和K型节点进行了全面的复核计算，对强度不满足要求的节点进行了加固分析，其中K型节点选择肋板加固，T型节点选择套管加固，并通过有限元软件对节点的加固后强度进行了计算分析，结果证实了加固后节点能满足安全要求。

3.4 纤维增强复合材料结构加固技术

纤维增强复合材料（ Fiber Reinforced Polymer， 简称FRP） 是由增强纤维材料与基体材料经过缠绕、模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。根据增强材料的不同，常见的纤维增强复合材料可以分为：玻璃纤维增强复合材料（GFRP），碳纤维增强复合材料（CFRP）以及芳纶纤维增强复合材料（AFRP）等类型。纤维增强复合材料结构加固技术具有明显的优势：（1）具有较高的比强度和比刚度，加固后原结构的自重和尺寸基本不变；（2）复合材料具有良好的耐腐蚀和抗疲劳性能；（3）柔性的复合材料能够用于任意封闭或形状复杂的钢结构加固。密封性好，减少了渗漏甚至腐蚀的隐患；（4）成本低、效率高、易于操作，在狭小空间亦可施工，适于现场修复；（5）适用范围广，由于施工过程中不会出现明火，可以用于各种特殊环境[10]。纤维增强复合材料加固钢结构技术是将纤维增强复合材料粘贴到受损钢结构的表面，使一部分荷载传递到纤维增强复合材料上，降低受损构件的应力水平，从而达到加固钢结构的效果，延长受损钢结构构件的使用寿命[11]。

4 结语

从已经发生的诸多工程案例中已经证实钢结构的失稳破坏是比较突然的，屈曲一旦发生，结构隨即崩溃，十分危险。因而从事钢结构的设计人员应特别重视钢结构的稳定问题，了解引起钢结构失稳的因素，掌握正确的计算方法，丰富稳定性设计的相关知识，克服结构设计缺陷，从而避免工程中的失稳破坏。在钢结构稳定性的研究领域中，还有诸多尚未解决的问题，总之，只有认真对待钢结构的稳定问题，才会使得钢结构设计理论和方法不断地完善。

参考文献

[1] 郑玉峰.钢结构稳定性设计探析[J].科技资讯，2011（8）：34.

[2] 刘立辉.浅析钢结构稳定性设计[J].中国建筑金属结构，2013（12）：33-34.

[3] 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，2008，24（8）：59-61.

[4] 赵现鲁.浅谈建筑钢结构稳定性设计[J].中国建筑金属结构，2013（12）：26.

[5] 姚君玉.关于钢结构稳定性设计的思考[J].门窗，2014（12）：230.

[6] 胡成喜，何强.工程中钢结构稳定性的设计[J].科技创业家，2013（12）：17.

[7] 陈耀，蔡建国，冯健，等.某医院大厅新建钢结构工程加固设计[J].钢结构，2009，24（1）：37-40.

[8] 彭骏，杨海明.解析影响钢结构稳定性设计的一些因素[J].中华民居，2014（1下旬）：59，61.

[9] 王元清，孙鹏，施刚，等.钢结构相贯管节点的加固设计与分析[J].空间结构，2007，13（4）：28-31.

[10] 祁蓓蓓，王慧平.浅谈钢结构的加固方法[J].科技致富向导，2012（20）：190，259.

[11] 王奔，郭小农，蒋首超，等.FRP 加固金属结构研究综述[J].结构工程师，2012，28（5）：183-190.