钢结构的稳定性设计
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摘要:钢结构具有质轻、高强、工业化程度高、施工速度快等优点,故在建筑工程中得到了广泛的应用。本文通过对钢结构的稳定性设计概念、原则及分析方法的总结,浅谈一下钢结构稳定性设计的体会。
关键词:钢结构设计，稳定性设计，失稳破坏
中图分类号：TU291 文献标识码：A
稳定性设计是钢结构工程设计中需要重点考虑的内容之一。钢结构破坏的实例原因通常不是因为材料强度问题，而是结构的失稳破坏问题，即稳定性问题。破坏原因是其结构形式设计不合理,存在结构设计缺陷所致。要从根本上杜绝事故的发生,钢结构稳定性设计是关键。
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）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。
（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。
（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.钢结构稳定性设计的特点：
钢结构稳定性存在多样性，主要有如下几个特点：
(1)稳定性设计要考虑构件及结构的整体作用
(2)稳定性计算要按二阶分析进行
(3)考虑初始缺陷的极值稳定计算取代完善构件的分岔点稳定计算
(4)稳定性不仅通过计算来保证，还需要从结构方案布置和构造设计来配合
3. 钢结构稳定性的相关计算方法：
（1）平衡法。平衡法是求解结构稳定极限荷载最基本的方法,它是根据已产生了微小变形“1”后，结构的受力条件建立平衡方程而后求解。平衡法只能求解屈曲荷载，但不能判断结构平衡状态的稳定性。在许多情况下，采用平衡法可以得到精确解。
（2）能量法。如果结构承受着保守力，可根据有变化结构的受力条件建立总的势能。如果结构处在平衡状态，那么总势能必有驻值。根据势能驻值原理，先由总势能对于位移的一阶变形为零，得到平衡方程，再由平衡方程求解出屈曲荷载。此种方法一般只能获得屈曲荷载的近似解。用总势能驻值原理可以求解屈曲荷载，而用总势能最小原理可以判断屈曲后平衡的稳定性。
（3）动力法。处于平衡状态的结构体系，施加微小干扰使其发生振动，当荷载小于稳定的极限值时，干扰撤去以后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的，当荷载大于极限值时，即使将干扰撤去，运动仍是存在的，因此结构的平衡状态是不稳定的；临界状态的荷载即为屈曲荷载，由结构振动频率为零的条件即可解得。
4.轴心压杆的稳定计算
(1)影响轴心压杆稳定承载力的最主要因素是残余应力，它是把稳定系数 分成a、b、c三类的依据，残余压应力越大，位置距形心轴越远，值越低。
(2)轴心压杆不仅会发生弯曲失稳，也可能发生扭转失稳。在采用单轴对称截面时．需要特别注意扭转的不利作用。
(3)设计格构柱时，需要了解几何缺陷的不利影响和柱肢压缩对缀条的影响。
5. 受弯构件的稳定计算
(1)梁的稳定承载力与梁的截面形式、弯矩分布和荷载作用部位等多种因素有关，并受其影响。
(2)简支梁的支承条件必须保证梁端不能绕纵轴扭转，才符合规范 系数的计算前提。悬臂梁根部是否完全嵌固，对它的稳定承载力也影响极大。这些均应结合构造进行分析。
(3)当梁的截面由整体稳定控制时，不宜做成变截面的。梁端切去一部分翼缘也会使稳定承载力下降。
(4)支撑可以起到防止梁整体失稳的作用，但与其设置部位有关；梁上采用铺板作文撑时，铺板应满足一定刚度要求，才能起到防止梁失稳的作用。
6. 兼承轴力和弯矩的构件稳定计算
(1)压弯构件的稳定计算需要引进适当的等效弯矩系数 。
(2)单轴对称的冷弯薄壁压弯构件在弯矩作用平面外的稳定计算不同于热轧或焊接构件。
(3)规范给出的框架柱计算长度是由典型框架计算得出的(其各柱 相同)，对于非典型的情况，该系数需要修正。
(4)横梁受有轴线压力的框架和附有摇摆杠的框架，设计柱子时不能直接采用GBJl7—88规范规定的计算长度。【1】
7．框架稳定计算
(1)承受重力荷载作用的框架弹性稳定，可以用转角位移法分析。
(2)有水平荷载作用的框架稳定问题，宜用二阶弹塑性分析。二阶效应可以通过放大系数加以考虑，但还应计入缺陷影响。单层和双层的简单框架常可用Merchsnt法计算极限承载。
(3)现在通行的用一阶分析计算框架内力，再用计算长度法计算柱子的稳定的方法，—般可以保证框架稳定，但要注意的是它低估了横梁的内力。
(4)轴线压力使框架构件刚度下降，这一二阶效应在框架计算中不应忽视。
8．板件的稳定
(1)影响受压板件稳定的主要因素是宽厚比而不是长厚比。
(2)组成构件的各板会因相互牵制而同时失稳，弱板受到强板约束而提高临界应力，强板因提供约束而降低临界应力。
(3)加劲助必须有足够刚度，才能对板件起完全支承作用。
(4)设计重型桁架和带撑框架的节点时，必须特别重视节点板的稳定性。
9．板件屈曲后的强度与利用
(1)宽厚比大的受压、弯或剪的板件都具有屈曲后强度。四边支承板的屈曲后强度高于一纵边自由的板。
(2)单轴对称截面利用板件屈曲后强度，需要考虑有效截面形心移动的不利影响。
(3)利用薄腹板梁的屈曲后强度时，对梁的加劲肋。尤其是端加劲助，必须考虑拉力带的效应。
10.稳定设计中的支撑【2】
(1)设置支撑可以提高压杆、梁和框架的稳定承载能力。支撑设置得当可以获得节约钢材的效果。
(2)支撑并非不受力的构件。它作为支承构件的弹性支座，应满足一定的刚度要求，同时还应具有必要的承载力。
(3)只对一根构件起支承作用(减小自由长度作用)的支撑，按规范规定的容许长细比和压杆剪力V设计，能够满足要求。但是对多根构件起支承作用的支撑则未必能满足要求。
(4)轴心受压构件的支撑杆有偏心时，其支撑作用有所下降，但梁的支撑却以设在上翼缘平面为好。
(5)阻止框架柱失稳时出现侧移的斜撑体系，除承受风力和其他水平力外，还应承受一定的支撑力。
11．塑性设计和抗震设计中的稳定问题
(1)在塑性设计的结构中，构件及其组成板件必须在形成塑性铰和铰的转动过程中保持稳定。为此，板件宽厚比的限值和侧向支撑间距的限值都比常规设计要严格。
(2)单层的一、二跨框架的整体稳定承载力通常接近形成机构的承载力；按现行GBJl7—88规范设计的框架，不必进行整体稳定验算。但跨数很多的框架中间柱刚度较小，需要考察是否有整体失稳的可能性。
(3)抗震设计和塑性设计在稳定问题上有很多相似之处，但也有其不同特点。尤其是支撑斜杆，既允许它在强烈地震作用下屈曲，又要赋与较好的吸能能力
总之，钢结构设计中，钢结构设计中稳定性设计才是重中之重，才是结构设计的关键点。
参考文献:
【1】GB50017-2003,钢结构设计规范[S].
【2】陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社, 2004.