钢结构设计中稳定性研究与探析

赵巍　赵超

摘 要：在现代许多钢结构的建筑当中，钢结构稳定性较差的情况非常常见。这不仅给施工的过程带来巨大的风险及安全隐患，而且还可能会出现重大的经济损失以及人员损伤情况。目前建筑领域已经对钢结构稳定性设计给予高度重视，这也是该行业的发展趋势，完善钢结构设计中的稳定性，可以在节约资源的同时保障工程的施工质量。

关键词：钢结构；设计稳定性

1 钢结构稳定性的相关概念

1.1 稳定性的概念与分类

所谓钢结构稳定性一般来说，指的是在建筑中钢结构经过外界扰动后恢复到最初平衡状态的性能。同样的道理，与之相对的属性即失稳，也就是建筑结构因外界扰动而自最初的平衡位置移动到其他位置。通常而言，我们把失稳分为三种类型。第一种类型指的是直杆、圆环和窄梁的轴心受到压力出现的分支点失稳现象，主要是由于平衡分岔而起的问题，所以学术上又叫分支点失稳；第二种类型则并非由平衡分岔引起的失稳问题，而是极值点失稳，在实际建筑中，往往把此类失稳转化为分支点失稳进行处理；第三种类型是跃越失稳，这种失稳类型不同于上述两种类型，跃越失稳是指在一种平衡状态受到破坏后直接进入到另外一种平衡状态。

1.2 钢结构稳定性的影响因素

钢结构稳定性包括两方面内容，一方面是指钢结构体系的稳定性，另一方面是指钢结构构件自身的稳定性。影响钢结构稳定性的因素比较多，其中较为主要的是结构体系、构件。在钢结构体系中，其支撑体系对结构体系稳定性影响最大，比如柱间支撑，屋架的上弦水平支撑、下弦水平支撑以及垂直支撑等。对于钢结构构件自身来说，构件的长度、截面特征、材料强度等都会影响其结构的稳定性。

2 钢结构的稳定设计的特点

2.1 整体刚度与失稳

钢结构的稳定承载力直接影响着钢结构的刚度，钢结构的刚度与钢结构的整体构成也有着密切的联系。所以，钢结构的整体质量是钢结构稳定决定的。

2.2 钢结构的稳定性

由于钢结构的组成部分影响着整个结构整体，在实际生活中具体处理稳定问题的过程中，要以整体为基础。

2.3 钢结构稳定性的相关性

钢结构稳定性的相关性是指结构在整体布置的过程中，要全面考虑整体布置及其中组成部分的局部稳定性。

3 钢结构稳定设计的原则

3.1 钢结构整体与局部的稳定性

在对钢结构进行设计时，一般是以平面体系为出发点，在设计的过程中，要注意构件之间的协调性，还要对框架设计进行优化。在平面结构中，为了防止平面失稳现象的发生，设计人员必须从结构整体布局的角度出发，有针对性的对支撑构件进行优化以及改进。在设计时，要以保证平面结构布置以及稳定性计算满足要求原则。

3.2 结构计算和构造设计一致

对于不同的节点连接应设置不同的刚度和柔度，桁架节点应尽量减少杆件偏心。但是涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。处理梁整体稳定时要求不动铰支座的阻止位移和梁绕纵轴扭转，同时允许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。掌握钢结构稳定性相关的基本概念可以加强了解稳定设计的薄弱环节，明确设计中应该注意的问题。

4 建筑工程中钢结构设计要点

4.1 荷载设计

在设计过程中，要将对称结构作为主要结构，尽量保证结构不发生扭转，为刚度连贯性并且保持稳定的变化提供保障。将钢结构设计为L、T两种形态能够将钢结构作用发挥出来；将钢结构布置在结构外围，能够在很大程度上提升整体结构抵抗扭曲与变形的能力。为了保证钢结构具有良好的稳定性，施工人员应该严格遵照设计规范开展工作；在扭转上，设计师要重视影响水平承载力的多种问题。

4.2 稳定性设计

为了保证建筑工程具有良好的稳定性，需要进一步加强钢材质量的检查与测试。在实际工作中，将设计方案作为参考，分析钢结构整体的框架，对临界值进行确定。在对弹性稳定进行计算的过程中，需要重视结构的整体性与其它特点。例如二阶分析，该种分析对于柔性构件而言，具有十分重要的作用，由于柔性构件容易受力产生形变，对结构内力的影响比较大，再如迭加原理，只能在应力问题上应用，不适用于弹性计算。

5 建筑工程中钢结构稳定性的分析方法

钢结构稳定性的分析方法主要是针对在外部荷载作用下钢结构出现变形的情况下进行的，这种变形应当和所研究的钢结构稳定性失衡时导致的变形所对应。常用的对钢结构稳定性进行分析的方法主要有以下几种。

5.1 平衡法

平衡法也称中性平衡法或者静力平衡法，这是一种最基本的计算钢结构稳定极限荷载的方法。对于有平衡分岔点的弹性稳定问题，在分岔点的附近会存在两个相对比较临近的平衡状态，其一是原结构的平衡状态，其二则是已经出现微小变形的结构的平衡状态。而平衡法就是依据这一已经产生微小变形后结构的受力条件而建立的平衡方程来求解的，如果通过计算得出的解不止一个，则当中的最小值才是该结构的分岔屈曲荷载。

5.2 动力法

在平衡状态下的钢结构体系，如果受到来自外界的微小干扰时，很容易会发生振动现象，此时就需要采用动力法来分析钢结构的稳定性。具体而言，当钢结构的荷载小于稳定的极限值时，钢结构的变形方向和加速度方向正好相反，因此，当外界干扰撤销之后，运动会逐渐静止，此时钢结构的平衡状态是稳定的；而当钢结构的荷载大于稳定的极限值时，钢结构的变形方向和加速度方向正好相同，因此，当外界干扰撤销之后，运动依然会持续，此时钢结构的平衡状态则是不稳定的；只有钢结构在临界状态的荷载才是其屈曲荷载，其可以依据振动频率为零的条件解得，实际上，动力法是一种结构动力的稳定问题。

6 强化钢结构设计中稳定性的主要策略

6.1 尽可能缩小不确定成分的影响

在钢结构稳定性设计过程中，不确定成分所带来的影响是无法规避的，但是可以灵活利用一些技巧来缩小不确定成分的影响力。根据边界条件以及荷載的具体分布情况，通过附加杆件的科学设置以及支撑点对结构施加预应力，有效提升钢结构设计的稳定性。

6.2 科学使用梁—柱单元理论

梁—柱理论在钢结构稳定性设计中，是最基本也是最为重要的。这就表示，必须对钢结构工程的场地、施工材料以及设计方案等诸多有关事宜进行深入考察，结合梁—柱单元理论，对钢结构设计当中的细部构造、构建之间的稳定性、整体构造以及组成部分之间的稳定性等多重因素进行深入分析，实现提升钢结构设计稳定性的目标。

6.3 构建完善的预张拉结构理论体系

对于整个钢结构稳定性的设计过程而言，预张拉结构理论体系是不容忽视的关键所在。在构建了科学完善而且合理有效的预张拉结构体系之后，在此理论体系的协助下，对预张拉结构进行深入研究，所得出来的结果必定是准确科学的，这样也能够从根本上有效提升钢结构的稳定性。

7 结束语

总而言之，建筑物钢结构稳定性的设计关乎广大人民群众的生命及财产安全，相关部门要重视，通过全新的方式及理念，保证钢结构的稳定性及安全性，从而促进我国建筑事业的发展。

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）.

[2] 金羚.建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点[J].城市建设理论研究：电子版，2014（3）：90.