浅析钢结构工程设计中的稳定性问题

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摘要：随着建筑钢结构市场的不断发展，钢结构在建筑工程中的应用越来越广泛。本文分析了钢结构建筑的优点，介绍了钢结构稳定性的分析方法，探讨了钢结构稳定性设计中存在的问题及设计中应注意的要点，以期对工程设计人员有所启发。

关键词：建筑工程；钢结构设计；稳定性

中图分类号：TU198文献标识码： A

引言

建筑钢结构具有良好的外观，较强的抗震性能以及总体成本低等优点。除此之外，建筑中所需的钢结构构件大部分可在工厂进行加工制作，然后在工地现场完成吊装，最终实现了施工效率的大幅度提升。然而相比混凝土结构，钢结构构件具有轻、薄的特点，因此对于建筑钢结构，其稳定性的问题尤为突出，在设计工作中应特别注重其稳定性分析。

一、建筑工程中钢结构的优点

建筑钢结构的优点主要表现在施工、使用功能以及设计等方面，将钢结构引入建筑工程中的优势在于：1）弥补了传统结构的不足，分割方便，并大大提高了使用率；2）钢结构在建筑使用中需要一些新型材料，如轻质墙板等，这些材料本身为绿色材料，有利于缓解能源紧缺的现状；3）钢结构多使用国家标准型号的型钢，这就易于实现技术的集成化，并大大增加住宅的技术水平与使用功能；4）钢材本身的工业化程度高，同时又是一种可再生材料，所以满足环保、节能的要求；5）与其他建筑体系相比，钢结构体系质量较轻，综合效益高。

二、建筑工程中钢结构稳定性的分析方法

钢结构稳定问题的分析都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究的结构或构件失稳时出现的变形相对应。结构变形与荷载之间呈非线性关系，稳定计算属于非线性几何问题，采用的是二阶分析方法。稳定计算所确定的不论是屈曲荷载还是极限荷载，都可视为所计算的结构或构件的稳定承载力。钢结构稳定性的分析方法有：

（一）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后结构的受力条件建立平衡方程，求解出临界荷载。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。

（二）动力法

动力法研究的是结合处在平衡状态之下的结构体系，因此如果在上面增加较小的干扰，就会导致其发生一定的振动。而在这种情况下所产生的结构变形和钢结构振动加速，均与整体结构的荷载产生密切的联系。处于平衡状态的结构体系，施加微小干扰使其发生扰动，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。

（三）能量法

若是钢结构承载着保守力，则在实际应用中，可以结合已经具有了变性结构的相关受力条件来构建总体的势能。同样若钢结构处在比较平衡的状态，则需要计算其总体势能。要结合相关势能驻值的原理，将总体势能从一阶变分为零，以此来得出平衡的方程，再结合平衡方程来得出分岔屈曲荷载。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。

二、钢结构稳定性分析中存在的问题

（一）单元力学模型的选取。例如在网壳结构稳定性的研究中，杆单元是理论研究的常用单元力学模型。但杆单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还有待进一步研究。虽然有学者对杆单元进行过修正，主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。

（二）整体稳定与局部稳定的关系。在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题。目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。

（三）钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响。目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。

三、建筑工程中钢结构稳定性分析的设计要点

（一）节点连接刚度设计

在传统的设计和分析中，为了简化结构设计分析过程，通常将钢结构梁柱节点的连接假定为理想铰接或完全刚接。理想铰接意味着梁柱不能传递弯矩。完全刚接则认为框架在受荷变形后，粱柱夹角保持不变。随着钢结构节点连接形式的增多，试验结果证明，在荷载作用下，有些节点连接不能单纯归类为刚性连接或理想铰接，而应称为半刚性连接。半刚性节点连接是部分约束连接，兼有刚性连接和理想铰接的优点，如果将半刚性连接简化为理想铰接，则会高估框架的侧移壁而增大P-效应的影响，低估了梁柱的连接刚度，使往的稳定极限承载力理论值偏低。如果将半刚性连接简化为刚接，则结果相反。

（二）简化计算的正确性

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。目前设计轻型单层或多层钢框架结构时，常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。然而计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，应通过框架整体稳定分析得出。这样才能使柱的稳定计算等效于框架稳定计算。在实际工程中，类似的情况还可举出以下两种，即附有摇摆柱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。

（三）结构构造设计和构件稳定计算相结合

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。

结语

综上所述，工程设计人员必须重视钢结构稳定性分析，了解钢结构的稳定性分析的理论方法，结合工程实践，不断总结钢结构设计的难点和要点，积极探索新方法，提高钢结构设计水平。

参考文献：

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