谈钢结构设计中的稳定性问题分析

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摘要：钢体建筑已成为推动我国建筑行业快速发展的新型坐标。钢结构体系中的稳定性是钢结构设计中重点解决的问题, 一旦出现了钢结构的失稳事故, 不但会对经济造成严重的损失, 而且会造成人员的伤亡。本文探讨了钢结构设计中的稳定性问题。

关键词：钢结构；设计；稳定性；问题

Abstract: Steel body building has become the newcoordinates to promote the rapid development of China'sconstruction industry. The stability of the steel structure system is focused on solving problems in the design of steel structure, once appeared in the steel instability accident,would not only cause serious economic losses, but will also cause casualties. This paper discusses the stability problemin the design of steel structures.Key words: steel; design; stability; problem

中图分类号：TU391文献标识码：A 文章编号：

随着我国经济的高速发展, 各种钢体工程建筑相继建设而成。钢体建筑已成为推动我国建筑行业快速发展的新型坐标。钢结构体系中的稳定性是钢结构设计中重点解决的问题, 一旦出现了钢结构的失稳事故, 不但会对经济造成严重的损失, 而且会造成人员的伤亡, 所以在做钢体结构稳定设计中, 一定要把握好这一关。

一、 钢结构失稳分类

钢结构的稳定问题主要是指在外荷载的作用下，整个钢结构是否发生屈曲或失稳现象。其失稳类型主要分为平衡分岔失稳、极值点失稳和跃越失稳。正确的区分钢结构的失稳类型， 可以更好的评价结构或构件的稳定承载能力。

1、平衡分岔失稳

完善的轴心受压构件其端部受到的荷载未达到某一限值时，仍能保持挺直的稳定平衡状态，构建截面承受的压应力是均匀的，沿构建的轴线也只产生相应的压缩变形，当构建截面承受的压力达到限值时，构建会突然发生弯曲，导致原来的轴心受压的平衡形式转变为与之相邻的但是带弯曲的新的平衡形式，这就是平衡分岔失稳。其特征是当荷载逐渐增加时，结构原有的平衡形式被破坏了，并出现了与原平衡形式有本质区别的新的平衡形式，由稳定平衡转变为不稳定平衡，出现了稳定性的转变。完善的（即无缺陷、挺直）轴心受压构件和完善的在中面内受压平板的失稳都属于平衡分岔失稳问题，属于这一类的还有理想的受弯构件以及受压的圆柱壳等的失稳。

2、极值点失稳

极值点失稳是指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了稳定的能力，发生失稳时的荷载值就是构件的实际极限荷载，这类的平衡状态是渐变的，与平衡分岔失稳具有本质的区别。

3、 跃越失稳

跃越失稳不存在平衡分岔点，也没有极值点，是失稳发生后又跳跃到另一个稳定的平衡状态。

二、钢结构设计的原则

根据稳定问题在实际设计中的特点提出了以下三项原则并具体阐明了这些原则，以更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定。

1、结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求。目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致

出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。

2. 结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。

目前任设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。

在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。GBJl7- 88 规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定，其中包括：“框架中所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临界荷载”。按照这条假定，框架各柱的稳定参数杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。在实际工程中，框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还可举出以

下两种，即附有摇摆拄的框架和横梁受有较大压力的框架。这两种情况若按规范的系数计算，都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。

3、 设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平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。

三、钢结构稳定设计特点

1、对稳定性进行整体分析。必须从整体着眼进行稳定分析,因为杆件的稳定性来自结构的整体稳定性。

2、整体刚度与失稳。目前所采取的规范,用临界压力求解法和折减系数法进行轴心压杆的稳定计算。

钢结构体系也在不断地动态发展着,因此对钢结构稳定的设计问题研究也随之发展。在这样的情况下,要以发展的眼光看问题,尽量避免由于对新型钢结构的稳定性问题缺乏了解和把握,而在设计中出现了结构失稳问题。

3、钢结构稳定设计研究中的难点。

(1)当前对于网壳结构稳定性的研究中,主要采用了梁-柱单元理论作为研究工具。但是目前还没有准确的证据要可以证明梁-柱单元真实反映了网壳结构受力状态。其主要焦点在于难以反映轴力和弯矩的耦合效应。

(2) 对于大跨度的结构设计,如何实现局部稳定与整体稳定协调一致,也是一个研究的难点。在当前的许多对于大跨度结构设计中,通常是取一个统一的稳定安全系数,这种方式无法全面科学地体现出整体的稳定性和局部稳定性的有机联系。

(3)还有一些其他的难点,诸如在预张拉结构体系的稳定设计理论的发展方面,此理论还不够完善,尚未形成一个完善科学的理论架构来对预张拉结构体系的稳定性进行分析。最后,许多意料之外的随机因素也会对钢结构体系的稳定性造成影响。当前,结构随机影响分析所处理的问题一般都集中在确定的结构参数、随机荷载输入这些方面,但是具体到实际工程设计中,现场结构的参数往往不具备理论上的稳定性,这会导致结构响应的明显差异。所以,对于在随机参数状态下的失稳问题的研究也是一个亟待解决的问题。由此可以得知,在钢结构稳定性方面的理论发展还尚需时日,而在现实设计中,很多时候没能考虑到现场随机因素的影响问题。