鋼結構穩(wěn)定設計探討

摘 要:通過幾年的鋼結構設計，探討一下有關鋼結構穩(wěn)定方面的一些內容，如強度與穩(wěn)定的區(qū)別，失穩(wěn)的分類，鋼結構穩(wěn)定設計原則，鋼結構設計特點，以便于幫助我們在設計中更好地完成穩(wěn)定設計;隨著新型結構不斷地出現(xiàn)，在穩(wěn)定設計中另一個導致構件和結構失穩(wěn)的因素就是設計人員對這些結構性能認識甚少，因此在這里就現(xiàn)有新型結構穩(wěn)定性存在的一些問題進行探討。

關鍵詞:鋼結構;結構穩(wěn)定;結構設計

中圖分類號:TU

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)19-0387-02

1 引言

穩(wěn)定性是鋼結構的一個突出問題。在各種類型的鋼結構中，都會遇到穩(wěn)定問題。對于這個問題處理不好，將會造成不應有的損失。現(xiàn)代工程史上不乏因失穩(wěn)而造成的鋼結構事故，其中影響最大的是1907年加拿大魁北克一座大橋在施工中破壞，9000噸鋼結構全部墜入河中，橋上施工的人員75人遇難。破壞是由于懸臂的受壓下弦失穩(wěn)造成的。而美國哈特福特城的體育館網架結構，平面92m×110m，突然于1978年因破壞而落地，破壞起因可能是壓桿屈曲。同樣1988年加拿大一停車場的屋蓋結構塌落，1985年土耳其某體育場看臺屋蓋塌落，這兩次事故都和沒有設置適當?shù)闹斡嘘P。在我國1988年也曾發(fā)生l3.2×l7.99m網架因腹桿穩(wěn)定位不足而在施工過程中塌落的事故。從上可以看出，鋼結構中的穩(wěn)定問題是鋼結構設計中以待解決的主要問題，一旦出現(xiàn)了鋼結構的失穩(wěn)事故，不但對經濟造成嚴重的損失，而且會造成人員的傷亡，所以我們在鋼結構設計中，一定要把握好這一關。目前，鋼結構中出現(xiàn)過的失穩(wěn)事故都是由于設計者的經驗不足，對結構及構件的穩(wěn)定性能不夠清楚，對如何保證結構穩(wěn)定缺少明確概念，造成一般性結構設計中不應有的薄弱環(huán)節(jié)。另一方面是由于新型結構的出現(xiàn)，如空間網架，網殼結構等，設計者對其如何設計還沒有完全的了解。本文針對這些問題提出了在設計中應該明確在鋼結構穩(wěn)定設計中的一些基本概念，以及對新型鋼結構穩(wěn)定性研究應該了解的一些問題和相應的解決方法。只有這樣我們在設計中才能更好處理鋼結構穩(wěn)定問題。

2 鋼結構穩(wěn)定設計的基本概念

2.1 強度與穩(wěn)定的區(qū)別

強度問題是指結構或者單個構件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起地最大應力(或內力)是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應力問題。極限強度的取值取決于材料的特性，對混凝土等脆性材料，可取它的最大強度，對鋼材則常取它的屈服點。穩(wěn)定問題則與強度問題不同，它主要是找出外荷載與結構內部抵抗力間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長的狀態(tài)，從而設法避免進入該狀態(tài)，因此，它是一個變形問題。如軸壓柱，由于失穩(wěn)，側向撓度使柱中增加數(shù)量很大的彎矩，因而柱子的破壞荷載可以遠遠低于它的軸壓強度。顯然，軸壓強度不是柱子破壞的主要原因。

2.2 鋼結構失穩(wěn)的分類

(1)第一類穩(wěn)定問題或者具有平衡分岔的穩(wěn)定問題(也叫分支點失穩(wěn))。完善直桿軸心受壓時的屈曲和完善平板中面受壓時的屈曲都屬于這一類。

(2)第二類穩(wěn)定問題或無平衡分岔的穩(wěn)定問題(也叫極值點失穩(wěn))。由建筑鋼材做成的偏心受壓構件，在塑性發(fā)展到一定程度時喪失穩(wěn)定的能力，屬于這一類。

(3)躍越失穩(wěn)是一種不同于以上兩種類型，它既無平衡分岔點，又無極值點，它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

區(qū)分結構失穩(wěn)類型的性質十分重要，這樣才有可能正確估量結構的穩(wěn)定承載力。隨著穩(wěn)定問題研究的逐步深入，上述分類看起來已經不夠了。設計為軸心受壓的構件，實際上總不免有一點初彎曲，荷載的作用點也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構件的性能，就必須了解缺陷對它的影響，其他構件也都有個缺陷影響問題。另一方面就是深入對構件屈曲后性能的研究。

2.3 鋼結構設計的原則

根據(jù)穩(wěn)定問題在實際設計中的特點提出了以下三項原則并具體闡明了這些原則，以便更好地保證鋼結構穩(wěn)定設計中構件不會喪失穩(wěn)定。

(1)結構整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求

目前結構大多數(shù)是按照平面體系來設計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結構不致出平面失穩(wěn)，需要從結構整體布置來解決，亦即設計必要的支撐構件。這就是說，平面結構構件的出平面穩(wěn)定計算必須和結構布置相一致。就如上述的1988年加拿大一停車場的屋蓋結構塌落，1985年土耳其某體育場看臺屋蓋塌落，這兩次事故都和沒有設置適當?shù)奈膿味斐沙銎矫媸Х€(wěn)有關。

由平面桁架組成的塔架，基于同樣原因，需要注意桿件的穩(wěn)定和橫隔設置之間的關系。

(2)結構計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結構的穩(wěn)定計算十分重要。

目前任設計單層和多層框架結構時，經常不作框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩(wěn)定時用到的柱計算長度系數(shù)，自應通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算。然而，實際框架多種多樣，設計中為了簡化計算工作，需要設定一些典型條件。GBJl7-88規(guī)范對單層或多層框架給出的計算長度系數(shù)采用了五條基本假定，其中包括:“框架中所有柱子是同時喪失穩(wěn)定的，即各柱同時達到其臨界荷載”。按照這條假定，框架各柱的穩(wěn)定參數(shù)桿件穩(wěn)定計算的常用方法，往往是依據(jù)一定的簡化假設或者典型情況得出的，設計者必須確知所設計的結構符合這些假設時才能正確應用。在實際工程中，框架計算簡圖和實用方法所依據(jù)的簡圖不一致的情況還可舉出以下兩種，即附有搖擺拄的框架和橫梁受有較大壓力的框架。這兩種情況若按規(guī)范的系數(shù)計算，都會導致不安全的后果。所以所用的計算方法與前提假設和具體計算對象應該相一致。

(3)設計結構的細部構造和構件的穩(wěn)定計算必須相互配合，使二者有一致性。

結構計算和構造設計相符合，一直是結構設計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節(jié)點應盡量減少桿件偏心這些都是設計者處理構造細部時經常考慮到的。但是，當涉及穩(wěn)定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。

2.4 鋼結構穩(wěn)定設計特點

(1)失穩(wěn)和整體剛度:現(xiàn)行規(guī)范通用的軸心壓桿的穩(wěn)定計算法是臨界壓力求解法和折減系數(shù)法。

(2)穩(wěn)定性整體分析:桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到結構的整體。穩(wěn)定分析必須從整體著眼。

(3)穩(wěn)定計算的其它特點:在彈性穩(wěn)定計算中，除了需要考慮結構的整體性外，還有一些其他特點需要引起重視，首先要做的就是二階分析，這種分析對柔性構件尤為重要，這是因為柔性構件的大變形量對結構內力產生了不能忽視的影響，其次，普遍用于應力問題的迭加原理。在彈性穩(wěn)定計算中不能應用。這是因為迭加原理的應用應以滿足以下條件為前提:

①材料服從虎克定律變成正比;

②結構的變形很小。

而彈性穩(wěn)定計算一般均不能滿足第②個條件，非彈性穩(wěn)定計算則兩個前提都不符合。

了解了一些在鋼結構設計中應該明確的一些基本概念，有助于我們在設計中更好地處理穩(wěn)定方面的問題，隨著新型鋼結構體系地不斷發(fā)展，我們對穩(wěn)定問題的研究要求也不斷地提高，之所以在設計中出現(xiàn)結構失穩(wěn)問題，另一個重要原因就是我們對新型結構穩(wěn)定知之甚少，也就是目前鋼結構穩(wěn)定研究中存在的問題。

3 鋼結構穩(wěn)定性研究中存在的問題

鋼結構體系穩(wěn)定性研究雖然取得了一定的進展，但也存在一些不容忽視的問題:

(1)目前在網殼結構穩(wěn)定性的研究中，梁——柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁——柱單元是否能真實反映網殼結構的受力狀態(tài)還很難說，雖然有學者對梁——柱單元進行過修正，主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應。

(2)在大跨度結構設計中整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的相互關系也是一個值得探討的問題，目前大跨度結構設計中取一個統(tǒng)一的穩(wěn)定安全系數(shù)，未反映整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的關聯(lián)性。

(3)預張拉結構體系的穩(wěn)定設計理論還很不完善，目前還沒有一個完整合理的理論體系來分析預張拉結構體系的穩(wěn)定性。

(4)鋼結構體系的穩(wěn)定性研究中存在許多隨機因素的影響，目前結構隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結構參數(shù)、隨機荷載輸入這樣一個格局范圍，而在實際工程中，由于結構參數(shù)的不確定性，會引起結構響應的顯著差異。所以應著眼于考慮隨機參數(shù)的結構極值失穩(wěn)、干擾型屈曲、跳躍型失穩(wěn)問題的研究。

從上面可以看出，我們的鋼結構穩(wěn)定理論還是不夠完善，我們在設計中一般都是把鋼結構看成是完善的結構體系，針對上述問題(4)，我們可以看出在設計中我們沒有考慮一些隨機因素的影響。但是我們在考慮這些因素之前，應該弄清楚這些隨機因素的來源，一般情況下把影響鋼結構穩(wěn)定性隨機因素分為三類:

(1)物理、幾何不確定性:如材料(彈性模量，屈服應力，泊松比等)、桿件尺寸、截面積、殘余應力、初始變形等。

(2)統(tǒng)計的不確定性:在統(tǒng)計與穩(wěn)定性有關的物理量和幾何量時，總是根據(jù)有限樣本來選擇概率密度分布函數(shù)，因此帶來一定的經驗性。這種不確定性稱為統(tǒng)計的不確定性，是由于缺乏信息造成的。

(3)模型的不確定性:為了對結構進行分析，所提的假設、數(shù)學模型、邊界條件以及目前技術水平難以在計算中反映的種種因素，所導致的理論值與實際承載力的差異，都歸結為模型的不確定性。

以上都是鋼結構穩(wěn)定設計中存在的問題，只有我們進一步地深入研究這些穩(wěn)定，鋼結構穩(wěn)定理論將會進一步完善，如對于鋼結構穩(wěn)定設計中涉及到隨機因素的影響，國外已經引入了鋼結構穩(wěn)定的可靠度設計，這也表明了鋼結構穩(wěn)定設計理論也在不斷的完善。

4 結束語

鋼結構穩(wěn)定問題區(qū)別于強度問題。在實際設計中，設計人員應該明確知道結構構件的穩(wěn)定性能，以免在設計過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失。針對上述問題，本文提出了在設計過程中設計人員應該明確的一些基本概念;其次，隨著新型結構的出現(xiàn)，設計人員對其性能認識的不足，從而導致構件的失穩(wěn)，本文就這個問題闡述了新型結構現(xiàn)存的一些問題，并且針對一些問題論述了產生的原因。總之，只有深入了解這些問題，才會使得鋼結構穩(wěn)定理論設計不斷地完善。

參考文獻

[1]建筑樁基技術規(guī)范[S].JGJ94-94.

[2]建筑地基基礎設計規(guī)范[S].GB5007-2002.

[3]建筑樁基檢測技術規(guī)范[S].JGJ106-2003.

[4]史佩棟主編[M].北京:實用樁基工程手冊，1999.