探討鋼結構的穩定性

張德智，張志偉

（黑龍江省寒地建筑科學研究院,黑龍江 哈爾濱 150080）

1 鋼結構之簡述

1.1 鋼結構之定義

鋼結構通常是指由型鋼和鋼板等鋼材通過焊接、螺栓聯接或鉚接而制成的工程結構。

1.2 鋼結構的應用優勢及劣勢

優勢：自重較輕，工作的可靠性強，抗震性能及抗沖擊性能好，制造的工業化程度高，整體剛性強，易于準確快速裝配，變形力強，材料韌性塑性好，鋼結構建筑物室內空間大，易做成密封結構，工期較短，可回收利用等。

劣勢：易腐蝕、耐火性差，存在一定安全隱患等。

1.3 鋼結構應用領域及我國鋼結構發展前景

主要應用領域：由于鋼結構自身的特點，其常被用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物。隨著鋼結構建筑的普及和其持續性發展，鋼結構現已廣泛應用于建筑、鐵路設施、橋梁和住宅等諸多方面。

2 鋼結構的穩定性分析

2.1 穩定及失穩的含義

和穩定相關的問題主要是找出外荷載與結構內部抵抗力間的不穩定平衡狀態，即變形開始急劇增長的狀態，之后設法防止進入該狀態，所以從某種意義上講，這屬于一個變形問題。

失穩也被稱為屈曲，是指鋼結構或構件失去了整體的或局部的穩定性，一般在承載力極限狀態范圍之內。另外，若對構件或板件因受壓、受彎或受剪等產生的受壓區域處理不當，鋼結構可能會出現整體失穩或局部失穩的現象。盡管鋼結構在失穩前的變形量可能看起來微乎其微，但突然的失穩會使其因幾何形狀急劇變化而喪失抗壓力，進而導致結構物整體塌落。

2.2 鋼結構失穩的分類

就鋼結構的性質可將其主要分為以下三種類型：

（1）分支點失穩，也叫做平衡分岔失穩，指結構到達臨界荷載時，結構在原來的平衡狀態外可能出現第二個平衡狀態，即在同一個荷載點出現了平衡分岔現象。按照結構穩定性分析理論，直桿軸心受壓時的屈曲和平板在中面受壓均屬此類。板的屈曲后強度較為明顯，往往可以在工程設計中應用。

（2）極值點失穩，亦即無平衡分岔失穩，像由鋼材建造的偏心受壓構件，在塑性發展到一定程度時失去其穩定能力的現象，及雙向彎曲壓彎構件和雙向受彎構件的彈塑性彎扭失穩均屬于這一類。

（3）躍越失穩則不同于上述兩類，它既無平衡分岔點，又無極值點，而是在失去穩定平衡之后直接跳到另一個穩定平衡狀態。扁平的網殼結構和鉸接的坦拱一般都容易發生躍越失穩，盡管在屈曲后其荷載能繼續增大，但是過度的變形已造成結構破壞，所以實際工程中應以臨界荷載作為承載的極限值。

2.3 研究鋼結構穩定性的方法

（1）平衡法，亦即中性平衡法或靜力平衡法，也就是根據已發生了微量變形后的鋼結構的受力條件建立平衡微分方程，然后對其進行求解的方法，這是求解結構穩定極限荷載的最基本方法。在建立平衡微分方程時應滿足下面五個基本假定：構件是等截面直桿，壓力始終沿構件原來軸線產生作用，材料遵循胡克定律，構件滿足平截面假定，構件的彎曲變形是微小的。行相應的分析，故平衡法在多數情況下較為常用。

（2）動力法，即對已處于平衡狀態的結構體系加以細微干擾令其產生振動的方法，此時結構的變形和振動加速度都與已經作用在結構上的荷載有關。當荷載小于穩定的極限荷載值時，加速度方向與變形的方向相反，相應的若撤去干擾，運動則趨于靜止，此時結構處于穩定的平衡狀態；而當荷載大于穩定的極限荷載值時，加速度方向和變形的方向相同，此時就算去除干擾，運動依然發散，而此時結構的平衡狀態不穩定。

（3）能量法，是求解承載力穩定性的一種近似方法，即通過能量守恒原理和勢能駐值原理來求解臨界荷載的方法。由小變形理論分析可得，能量法一般只能獲得屈曲荷載的近似解；但若事先能了解屈曲后的變形形式，用這種方法進行計算便于得到精確解。另外，通常而言，用總勢能駐值原理可以求解屈曲荷載，而用總勢能最小原理能夠分析出屈曲后平衡的穩定性。

3 鋼結構穩定性設計的相關研究

3.1 鋼結構穩定設計中常見問題分析

到目前為止鋼結構體系穩定性研究雖已取得了一定的成績，但仍面臨著不少問題：

（1）在網殼結構穩定性的研究中，作為主要研究工具的梁—柱單元理論能否反映網殼結構的真實受力狀態還很難說，還需要對該理論進行相應的修正。

（2）預張拉鋼結構體系有一定的應力儲備，較普通鋼結構體系穩定，但預張拉結構體系的穩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定性。

（3）目前結構隨機影響分析所處理的問題大部分局限于先確定結構參數、再輸入隨機荷載這一形式，而在實際工程中，這并不合理，易造成結構失穩。

3.2 鋼結構設計原則

（1）布置結構的整體時必須考慮到整個體系及其組成部分穩定性的原則。當前大多數鋼結構都是依照平面體系設計的，因而要想確保這些平面結構不出現平面失穩的現象，就必須注意結構整體布置，換言之即平面結構的整體布置要和相應的穩定計算相一致。

（2）構件的穩定計算必須與細部結構的構造具有一致性的原則。在處理結構的細部構造時，設計者既要普遍注意到結構計算應與構造設計相一致，還要考慮到應減少桁架節點的桿件偏心，另應賦予要求傳遞及不傳遞彎矩的節點連接以足夠的柔度和剛度。

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