淺談鋼結構穩定性設計

摘要：鋼結構在我國現代化建設中的地位正在日益突出，在國民經濟的各個領域都得到了大量應用，隨著我國鋼產量的持續增長，遙遙領先于世界各國，今后鋼結構的發展前景和應用范圍將更加廣泛。本文針對鋼結構穩定性設計提出了在設計過程中設計人員應須明確了解的一些基本概念，如強度與穩定的區別，失穩的分類，鋼結構穩定設計原則，鋼結構設計特點及鋼結構穩定性設計的加固措施，以便于幫助設計人員在設計中更好地完成穩定性設計；在穩定性設計中另一個導致構件和結構失穩的因素就是設計人員對這些結構性能認識不夠，因此本文提出了現有鋼結構穩定性存在的一些問題，以便設計人員參考。

關鍵詞：鋼結構 結構穩定 結構設計

0 引言

穩定性設計是鋼結構設計中的一個重要環節。在各種類型的鋼結構中，都會遇到穩定問題。對于這個問題處理不好，將會造成不應有的工程事故。鋼結構設計中的穩定性驗算是鋼結構設計中一個必不可少的環節，一旦出現了鋼結構的失穩事故，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，鋼結構中出現過的失穩事故都是由于設計者的經驗不足，對結構及構件的穩定性計算不夠重視，對如何保證結構穩定缺少明確概念，造成一般性結構設計中不應有的薄弱環節。本文針對這些問題提出了在鋼結構穩定設計中的一些基本概念，以及對鋼結構穩定性設計應該了解的一些問題并且應該懂得如何解決這些問題。只有這樣我們在設計中才能更好的處理鋼結構穩定問題。

1 鋼結構穩定設計的基本概念

1.1 強度與穩定的區別 強度問題是指構件截面材料或連接在荷載所引起的最大應力（或內力）作用下抵抗破壞的能力，因此是一個應力問題。強度的取值取決于材料的特性，對鋼材常取它的屈服點。穩定問題則與強度問題不同，它主要是在外荷載作用下，對整個結構或構件能否發生屈曲或失穩的評估（也就是整個結構或構件失去穩定平衡的狀態），即變形開始急劇增長的狀態，從而設法避免進入該狀態，因此，它是一個變形問題。

1.2 鋼結構失穩的分類 ①第一類穩定問題或者具有平衡分岔的穩定問題（也叫分支點失穩）。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第二類穩定問題或無平衡分岔的穩定問題（也叫極值點失穩）。由建筑鋼材做成的偏心受壓構件，在塑性發展到一定程度時喪失穩定的能力，屬于這一類。③躍越失穩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，它是在喪失穩定平衡之后跳躍到另一個穩定平衡狀態。

區分結構失穩類型的性質十分重要，這樣才有可能正確估量結構的穩定承載力。隨著穩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，其他構件也都有個別缺陷影響問題。另一方面就是深入對構件屈曲后性能的研究。

1.3 鋼結構設計的原則 根據穩定問題在實際設計中的特點提出了以下四項原則并具體闡明了這些原則，以更好地保證鋼結構穩定設計中構件不會喪失穩定。

1.3.1 結構整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩定性要求 目前結構大多數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，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，平面結構構件的平面穩定計算必須和結構布置相一致，且需要注意桿件的穩定和橫隔設置之間的關系。

1.3.2 結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖相一致，這對框架結構的穩定計算十分重要 目前設計單層和多層框架結構時，經常不作框架穩定分析而是代之以框架柱的穩定計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數，自應通過框架整體穩定分析得出，才能使柱穩定計算等效于框架穩定計算。然而，實際框架多種多樣，而設計中為了簡化計算工作，需要按規范設定一些典型條件，設計者必須確知所設計的結構符合這些條件時才能正確應用。在實際工程中，框架計算簡圖和實用方法所依據的簡圖不一致的情況可舉出以下兩種，即附有搖擺拄的框架和橫梁受有較大壓力的框架。這兩種情況若按規范的系數計算，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。

1.3.3 設計結構的細部構造和構件的穩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點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節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，以符合穩定分析所采取的邊界條件。

1.4 鋼結構穩定設計特點 ①失穩和整體剛度:現行規范通用的軸心壓桿的穩定計算法是臨界壓力求解法和折減系數法；②穩定性整體分析:桿件能否保持穩定牽涉到結構的整體，穩定分析必須從整體著眼；③穩定計算的其它特點:在彈性穩定計算中，除了需要考慮結構的整體性外，還有一些其它特點需要引起重視，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。

1.5 鋼結構加固方法 鋼結構加固的主要方法有:減輕荷載、改變結構計算圖形、加大原結構構件截面和連接強度、阻止裂紋擴展等。當有成熟經驗時，亦可采用其它加固方法。

1.5.1 改變結構計算圖形 改變結構計算圖形的加固方法是指采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節點性質和邊界條件，增設附加桿件和支撐、施加預應力、考慮空間協同工作等措施對結構進行加固的方法，增加支撐形成空間結構并按空間結構驗算，加設支撐增加結構剛度，或者調整結構的自振頻率等以提高結構承載力和改善結構動力特性，增設支撐或輔助桿件使結構的長細比減少以提高其穩定性，在排架結構中重點加強某一列柱的剛度，使之承受大部分水平力，以減輕其它柱列的負荷，在塔架等結構中設置拉桿或適度張緊的拉索以加強結構的剛度。

1.5.2 對受彎桿件可采用下列改變其截面內力的方法進行加固 改變荷載的分布，例如將一個集中荷載轉化為多個集中荷載，改變端部支承情況，例如變鉸接為剛結，增加中間支座或將簡支結構端部連接成為連續結構，調整連續結構的支座位置；將結構變為撐桿式結構，施加預應力，加設預應力拉桿。加大構件截面的加固采用加大截面加固鋼構件時，所選截面形式應有利于加固技術要求并考慮已有缺陷和損傷的狀況。

1.5.3 連接的加固與加固件的連接 鋼結構連接方法，即焊縫、鉚釘、普通螺栓和高強度螺栓連接方法的選擇，應根據結構需要加固的原因、目的、受力狀況、構造及施工條件，并考慮結構原有的連接方法確定。鋼結構加固一般宜采用焊縫連接、摩擦型高強度螺栓連接，有依據時亦可采用焊縫和摩擦型高強度螺栓的混合連接。當采用焊縫連接時，應采用經評定認可的焊接工藝及連接材料。

2 結束語

鋼結構穩定問題區別于強度問題。在實際設計中，設計人員應該明確知道結構構件的穩定性能，以免在設計過程中發生不必要的失穩破壞。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。總之，只有深入了解這些問題，才會使得鋼結構穩定理論設計不斷地完善。