有关钢结构失稳问题设计方法探讨

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摘要：应用在建筑物中的钢结构，其稳定性直接关系到建筑物的质量性问题。本文章从钢结构的概念谈起，阐述了钢结构中的设计特定和设计原则，并就钢结构稳定设计中遇到的几个设计问题进行了详细探讨。

关键词：钢结构；稳定性设计

一 钢结构体系稳定性研究现状

钢结构体系的稳定性一直是国内外学者们关注的研究领域。经过几十年的研究，已取得不少研究成果。迄今为止，对钢结构基本构件的理论问题的研究已较多，基于各种数值分析的稳定分析已较成熟。

但对构件整体稳定和局部稳定的相互作用的理论和设计应用上还有待进行深入的研究，由于结构失稳是网壳结构破坏的重要原因，所以网壳结构的稳定性是一个非常重要的问题，正确的进行网壳结构尤其是单层网壳结构的稳定性分析与设计是保证网壳的安全性的关键。

自六十年代以来，网壳结构的非线性稳定性分析一直是国内外学者们注意的焦点。英、美、德、意大利、澳大利亚、罗马尼亚、波兰等国的研究人员进行了多方面的理论方面的理论分析和研究。各种方法如牛顿-拉斐逊迭代法、弧长法、广义逆法、人工弹簧法、自动求解技术、能量平衡技术等使跟踪屈服问题全过程，得到结构的下降段曲线成为可能。

国内学者关于网壳结构稳定性也进行了大量研究，国内相关研究人员在国外研究的基础上，通过精确化的理论表达式、合理的路径平衡跟踪技术及迭代策略，实现了复杂结构体系的几何非线性全过程分析，取得了规律性的成果。

大跨度网架拱结构作为一种新的大跨度结构，其稳定性方面的研究成果很少，有文献采用非线性有限元理论对大跨度网架拱结构的稳定性进行了全过程跟踪，得出一些具有实际应用价值的结论。

斜拉空间网格结构是一种新型的杂交空间结构，目前对其研究的深度和广度还很有限。这种体系的系统理论研究在很大程度上滞后于实际应用，特别是预张拉结构体系的稳定性的研究未引起足够重视，研究成果还十分有限。

另外，也有学者从整体稳定的角度对钢框架结构的稳定问题进行了研究，得出了一些有益的结论。

二、钢结构设计中失稳问题阐述

1、钢结构失稳类型分析

钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题。要了解钢结构的失稳就要会区分结构失稳，只有失稳区分后才能正确估计钢结构稳定性及其承载力大小，并进一步了解钢结构的稳定性定问题深入地探究其内涵。钢结构失稳情况主要有以下三类情况。

第一类钢结构失稳：又叫分支点失稳的钢结构，它是有关平衡分岔的稳定问题。属于这第一类失稳的出现在完善直杆时，其轴心受压后屈曲；也会出现在完善平板时，其面受压后屈曲。

第二类钢结构失稳：又叫极值点失稳的钢结构，它是有关无平衡分岔的稳定问题。属于这第一类失稳的出现在建筑材材的构件做成的偏心受压时，它塑性变化到―定程度时就会失稳。

第三类钢结构是跃越失稳，它是不同于以上两种失稳的类型，它没有平衡分岔点也没有无极值点，它是由一种丧失稳定平衡的状态跃越到另―个稳定平衡状态的跃越失稳。

2、钢结构稳定设计的特点和原则

在失稳与整体刚度的设计方法方面，轴心压杆的结构的稳定性设计法是采用临界压力求解法与折减系数法等。稳定分析需要从整体着眼，主要是看其杆件能否保持稳定牵涉到整体的结构。

钢结构弹性的稳定计算时，除了需要了解结构的整体体系外，还有另一些特点要引起重视。1、进行二阶分析，这种分析法对柔性构件尤为适用，这是由于柔性钢构件，其变形量大，对钢结构内应力产生了很大的影响；2、迭加原理的应用，这样有利于营利，但是在弹性稳定设计中，则不适合应用。这是由于迭加原理的应能满足并服从钢材的胡克定律，应力与应变成正比例关系；而弹性稳定设计不适合结构变形很小的钢结构，采用非弹性稳定计算，那么这两个条件都不适合。

依据钢结构的稳定性问题与实际的稳定设计中出现的特点，应注意以下三个原则：1、整体性原则：钢结构的整体设计需要考虑整个建造体系，以及整体与部分组成的稳定性要求；2、相一致原则：钢结构设计中的计算简图与通过计算方法所依照的简图是一致的，一致性在钢结构框架稳定中起到十分重要作用；相互配合原则：尤其是在精细构件的设计结构与其稳定性计算必须相互配合，使二者的计算结果相―致。

三．钢结构稳定设计问题探讨

钢结构的承载力是钢结构设计中的稳定设计主要控制问题，近些年，关于钢结构的稳定性的细入研究，取得了一点的进展，但在其过程中还是出现了一些问题的。笔者以为，主要体现在以下几个方面：

1、在结构的整体性和相关性问题上的稳定中，在以往的很长的时间内，因为受到计算方法限制与计算方式的制约，而选用了把一个构件或者是子结构分出来，把他们作为对象进行分析的方法。

2、选用弹塑性材料为建设材料时，需要考虑多方面的问题，现今多数钢结构分析方法，把结构做为完整的结构体系考虑，完全依照弹性钢材做一阶分析计算，而其中忽略了存在的许多缺陷问题，这就使得理论计算与现实结构的承载能力出现了很大的差别。

3、多个随机变量因素也直接影响钢结构设计体系研究中的稳定性，根据以上的基本概念将影响钢结构稳定性的随机变量因素可具体的分成三类：(1) 物理、几何等随机变量：钢材的弹性模量，屈服应力与泊松比等因素，还有构件尺寸的长短，截面面积的大小等等。比如说因为结构杆件它本身不是没有缺陷的理想杆件钢材，开始变形是其残余应力等会有不利影响，尤其是对受压构件的稳定；(2) 物理几何数据统计的随机性：钢结构数据统计和稳定性相关，尤其是在物理和几何数据计量时，它依据一定的经验性用有限样本采用概率密度分布函数对钢结构稳定性进行数据统计，这就受到经验性的局限等；(3) 结构建模的随机性：建立假设的或者是数学的模型，再或者是当今的技术水平以及边界条件等因素，这些因素难以在详细的计算中完全反映出来，通过计算得出的理论值和实际承载力之间存在很大的差异，所以在地震时或是在高温效应时对钢结构的稳定有特殊影响力。但钢材柱梁否能反映出钢结构的承载力的状态还需要进一步研究，寻找出不稳定因素，使钢结构稳定设计理论得到进一步改进。

另外，国内外学者对结构可靠度理论已经进行了较为深入的研究，在可靠度计算方法及复杂结构可靠度分析方面取得了很多研究成果。任何工程分析和设计的最终目的是使设计的结构在不同要求下满足不同的功能-安全性、使用性、耐久性由于不确定性的存在，就需要把这些不确定性加入工程设计中，从而产生了很多可靠度方法。为了估计结构可靠度，首先要解决相关荷载和抵抗力参数以及它们之间的函数关系。

总论

在工程设计中，设计人员必须深入地了解钢结构基本构件的稳定问题，避免在建设过程中发生不应发生的事故。应针对具体问题不断地完善钢结构稳定设计理论，尽量避免出现失稳问题，在不断翻新的新结构中才能发掘新的方法和手段。

参考文献：

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[2]刘雯明．浅论钢结构的稳定设计．科技风，2008(14)．

[3]邢立涛．浅谈钢结构设计中的稳定性分析[J]．科技传播，2010(16)．