钢结构稳定性分析与优化设计

蒋全

摘 要：钢结构的稳定性是工程设计中至关重要的一个方面。基于此，通过对钢结构整体稳定性、局部稳定性以及优化设计原理的分析，以钢框架设计为例，探讨稳定性分析与优化设计的方法和实践以及优化设计思路，从而提高钢结构的安全性和经济性。

关键词：钢框架；整体稳定性；局部稳定性；优化设计

中图分类号：TU391                               文獻标识码：A                                  文章编号：2096-6903（2023）11-0007-03

1 对钢结构稳定性的认识

1.1 钢结构稳定性的定义与重要性

钢结构的稳定性是指钢结构在受到外部荷载作用时，能够保持结构整体的稳定状态，不发生过度变形或破坏的能力[1]，它是评价钢结构抗震、抗风等外力作用下的性能的重要指标。钢框架是常见的钢结构形式，其由钢梁、钢柱组成的空间钢架结构，适用于多高层和大跨度的构建筑物。钢结构在风荷载和地震作用下，要能承受其引起的水平力以及产生的变形和位移。

具体需要以下3点性能：一是抗震性能。稳定的钢结构能够有效地分散和承担地震力，减小地震灾害造成的破坏。二是抗风性能。稳定的钢结构能够承受风力引起的水平力，并通过合理的结构设计和加固措施，抵抗风压和风振引起的变形和损坏，确保结构的安全性。三是建筑物整体的稳定性。钢结构的稳定性直接影响建筑物的整体稳定性。钢框架作为主体结构，其稳定性保证了建筑物在正常使用和荷载作用下的平稳运行，防止结构失稳、挠度过大等问题的发生[2]。

钢结构的稳定性对于保证建筑物的安全性和使用寿命具有重要意义。通过合理的结构布置和构造措施，能够确保钢框架结构具备良好的稳定性能，提高建筑物的整体抗震和抗风能力。

1.2 现有钢结构稳定性问题的分析

钢结构稳定性问题是在设计和使用过程中需要重点考虑的一个关键问题，主要涉及结构在受力状态下的稳定性能。钢结构的稳定性受结构的几何形状、材料特性、受力状态等因素的影响。例如，长、细、偏心和不规则形状的结构，更容易出现稳定性问题。

不同国家和地区的设计规范，均对钢结构的稳定性问题进行了详细规定。这些规范一般包括极限稳定性要求、稳定性分析方法、稳定性设计公式等。例如，GB 50017—2017《钢结构设计标准》对稳定性问题进行了严格规定，其中包括了关于整体稳定性、局部稳定性、稳定性分析方法等的内容。

钢结构稳定性分析一般包括选择合适的稳定性分析方法、建立结构模型、计算结构的稳定临界荷载、分析结构的稳定性能力等。这些步骤需要结合具体的设计要求和规范进行。钢结构稳定性问题的分析，需要综合考虑结构的几何形状、材料特性和受力状态等因素，遵循相应的设计规范进行稳定性分析和设计。这样才能确保钢结构的稳定性能，保证建筑结构的安全。

1.3 钢结构稳定性分析与优化设计的需求

稳定性分析的目的是确定结构在受力状态下的稳定性能力。在进行稳定性分析时，需要考虑结构的整体稳定性、局部稳定性和稳定临界荷载等方面的要求。规范一般会提供相应的分析方法和验算公式。优化设计旨在通过调整结构的几何布置、材料选取和构造方式等，使结构在满足设计要求的前提下具有更好的性能和经济性。在优化设计过程中，常会涉及结构的稳定性问题，需要确保优化后的结构满足规范中的稳定性要求。

规范在稳定性分析与优化设计中起到至关重要的作用。在进行稳定性分析时，需要遵循规范中的分析方法、公式和验算要求，确保结构的稳定性能力满足规范要求。在进行优化设计时，需要综合考虑稳定性要求，选择合适的形状优化方案、材料选取和优化构造方式等，使其在满足稳定性要求的前提下获得更好的性能和经济性。

2 钢结构稳定性设计中存在的问题和改进方向

一是现有钢结构的稳定性设计中存在一些简化假设，如假定梁柱连接为刚接，但实际不能做到完全刚接。改进方向应计入梁柱交角变化的影响，如计算框架位移角时应适当考虑刚度折减。二是计算模型和实际受力不符。如在建模时在主梁跨中会增加次梁，次梁会把主梁打断，软件在主梁整体稳定性设计时会把主梁分成几段来分析，相当于减小了主梁的平面外计算长度。改进方向是修改主梁平面外计算长度不考虑次梁对主梁的平面外约束，或是增加水平支撑，形成水平桁架则可以减小主梁的平面外计算长度。三是结构稳定性设计中未考虑二阶效应和初始缺陷。改进方向采用直接分析方法，充分考虑初始缺陷、二阶效应、材料弹塑性、节点半刚性等各种对结构刚度有影响的因素[3]。

3 钢结构整体稳定性分析

规范对于钢结构稳定性的设计要求有以下4点[4]：①钢结构应进行合理的结构布置，具有明确的计算简图和合理的传力途径，对有抗震设防要求的构建筑物，应具有多道抗震防线。②结构构件和体系应具有良好的抵抗变形的能力和消耗地震作用的能力。③对结构可能出现的薄弱部位，应采取有效的加强措施。④结构稳定性验算应符合以下规定：二阶效应计算中，重力荷载应取设计值；高层钢结构的二阶效应系数θ≤0.2，多层钢结构θ≤0.25。一阶分析时，框架结构应根据抗侧刚度，按照有侧移屈曲或无侧移屈曲的模式，确定框架柱的计算长度系数μ。二阶分析时应考虑假想水平荷载Hni，框架柱的计算应取长度系数μ为1.0。假想水平荷载的方向与风荷载或地震作用的方向一致，其荷载分项系数应取1.0；风荷载参与组合的工况，组合系数应取1.0；地震作用参与组合的工况，组合系数应取0.5。

3.1 受压构件稳定性分析

受压构件的稳定性分析是评估其在受压作用下的整体稳定性能。主要理论依据来源于欧拉稳定性理论，欧拉稳定性理论是受压构件稳定性分析的基础[5]。根据欧拉公式，可以计算得到受压构件的临界压力或临界载荷。欧拉稳定性理论适用于长、细、均匀截面的构件。工程中常见的受压构件有柱子、支撑、系杆、缀条等。GB 50017—2017《钢结构设计标准》7.2条对受压构件整体稳定性计算做了详细规定。

3.2 受弯构件稳定性分析

受弯构件的稳定性分析是评估其在弯曲作用下的整体稳定性能。针对受弯构件的稳定性分析，可以使用弯曲屈曲分析方法来计算其临界弯矩或临界载荷。常见的方法包括使用欧拉公式、曲率引起的屈曲刚度公式等。这些方法适用于简单形状和均匀截面的构件。工程中受弯构件主要是梁， GB 50017—2017《钢结构设计标准》6.2条对其作了详细规定。

3.3 局部稳定性分析

局部稳定性分析是针对钢结构构件中的局部区域或连接部位进行的稳定性评估。常见的局部稳定性分析方法大概有以下3点：一是局部屈曲分析。局部屈曲是指构件部分区域受到压力而发生屈曲失稳的行为。二是局部扭转分析。局部扭转是指构件的某一部分发生扭转失稳的行为。局部扭转可能发生在构件的焊缝、连接件或其他薄弱部位。三是局部剪切分析。局部剪切是指构件某一部分发生剪切失稳的行为。局部剪切可能发生在构件的剪力连接、板的剪切区域等处。工程中梁柱翼缘和腹板都存在局部失稳的可能，在设计中主要是通过限制翼缘宽厚比和腹板的高厚比来避免局部失稳。

4 钢结构的优化设计方法

钢结构稳定性优化设计旨在通过合理的结构设计和参数调整，提高结构的稳定性，使其在安全性、可靠性和经济性方面得到最优化[6]。钢结构稳定性分析相关的数据如表1所示。其基本原理包括以下4个方面。

4.1 结构合理性

通过合理的结构布局和几何形态设计，充分发挥材料的优势，使结构具有足够的刚度和稳定性。可以考虑采用适当的跨度、柱网间距、设置支撑等设计参数，使结构具备良好的整体刚度和稳定性。

4.2 材料选择与优化

选择高强度和高性能的钢材，使结构具备更好的抗弯刚度和稳定性。根据不同的应用场景和要求，优化选择钢材的等级、强度和耐久性，以使结构在稳定性能上达到最佳水平。

4.3 截面优化设计

在结构设计中，采用合适的截面形状和尺寸，以最大限度地提高截面的抗弯刚度和稳定性。通过优化截面尺寸和形状，使结构在垂直和横向荷载作用下具备良好的稳定性能。

4.4 加强连接节点

连接节点在钢结构中起着重要的作用，对结构的稳定性影响很大。可通过优化连接节点的设计和构造，提高连接的刚度和韧性，增强结构的稳定能力。可以采用适当的加强措施，如在梁柱连接时在翼缘增加盖板、翼缘局部加宽等措施，提高节点的承载能力。

5 钢结构稳定性优化设计案例

本项目为武安市某2 m ×126 m平烧结机烟气脱硝项目。工程为脱硝反应器下部钢框架，主要钢框架尺寸17.4 m×17.4 m×26 m。抗震设防烈度7度，第二组，场地类别二类，基本风压0.35 kN/m2，基本雪压0.3 kN/m2。主要结构体系钢框架中心支撑体系。主要荷载作用为GGH总质量662 t，支撑于7 m层，反应器质量662 t，支撑于26 m层，主要烟道质量178 t，支撑于21 m层。

本工程荷载重，跨度大，工艺布置复杂。结合稳定性原理，主要采取了中心支撑体系，增加结构侧向刚度。采取无侧移计算模型，减小柱子的计算长度，增强柱子整体稳定性。结构从有侧移计算模型到无侧移计算模型，柱子截面从7 m高优化到了5 m高。而对于26 m层支撑反应器的主梁最大跨度为17.4 m，总荷载有662 t，钢梁做到2.5 m高也算不过。通过计算结果分析，主要是钢梁的整体稳定性算不过，按照GB 50017—2017《钢结构设计标准》6.6.2条对钢梁整体稳定性影响最大的是稳定系数，因此通过设置水平桁架减小钢梁平面外计算长度，从而可以增加钢梁整体稳定性，最终此钢梁只做1.5 m高。

通过以上措施，优化了钢柱和钢梁的截面尺寸，不仅取得了较好的经济性，也增加了工艺布置空间。此项目的钢框架结构剖面图如图1所示。

6 结束语

钢结构稳定性的可靠性分析和优化设计，是确保结构安全性和可靠性的重要手段。本文主要结合钢框架结构形式的实例进行了研究，介绍了结构和构件稳定性分析方法。通过优化设计的原理和案例分析，强调了合理的结构设计、材料选择、截面优化以及连接节点的加强等，对于提高钢结构稳定性的重要性。

通过研究可知，在钢结构的设计和施工中，结合可靠性分析和优化设计的原理和方法，能够更全面、准确地评估结构的稳定性能，并提供最佳的解决方案。这不仅保证了钢结构的安全运行，还有利于优化设计和提高工程的经济效益。

参考文献

[1] 张成鑫.基于BIM的装配式钢结构高校学生公寓优化设计研究[D].济南：山东建筑大学，2022.

[2] 张恒飞.基于BIM技术的装配式钢结构建筑全过程质量管理研究[D].郑州：中原工学院，2022.

[3] 杜新喜，王若林，袁煥鑫.钢结构设计[M].南京：东南大学出版社，2017.

[4] 唐红元，陆跃文，杨利容，等.钢结构基本原理[M].重庆：重庆大学出版社，2016.

[5] 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南[M]（第三版）.北京：中国建筑工业出版社，2013.

[6] 朱丙寅.钢结构设计标准理解与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2020.