淺析鋼結構穩定性設計

劉立輝

（軍事科學院院務部營房部工程師，北京 100091）

由于鋼結構設計過程中所存在的缺陷，因此，導致鋼結構出現失穩，使人的生命和財產安全受到威脅。目前，隨著高層建筑量的增加，作為鋼結構工程設計的重要內容之一，越來越多的設計者對鋼結構穩定性的考慮將更為突出。例如：在1907年期間，位于加拿大的一座大橋在施工過程中由于受到懸臂受壓下弦失穩，導致9000t的鋼結構全部掉入河中，造成75人遇難。由此可以得知，造成鋼結構失穩的主要原因是因為其鋼結構穩定性設計的不合理而造成，為了能夠避免事故的發生，合理進行穩定性設計是關鍵。

1 鋼結構失穩的種類

1.1 分支點失穩

鋼結構軸心受壓構件在完好的情況下，當端部受到荷載壓力時，所承受的壓力小于等于某一限值，依然保持穩定平衡狀況，那么鋼結構構件截面承受著均勻的壓應力，即使沿軸線所產生的狀況也只是壓縮變形。相反，如果當端部受到荷載壓力時，所承受的壓力大于限值，鋼結構構件將發生彎曲變化，那么就會導致原有的軸心受壓平衡形式發生改變，從而分支點失穩。如圖1所示，當荷載增加時，鋼結構平衡出現改變的同時，還出現新的平衡形式造成失穩。

圖1 分支點失穩（ABO為荷載側移曲線）

1.2 極值點和跳躍失穩

該失穩主要是由于塑性擴展到一定程度時，鋼材做成的偏心受壓構件失去了穩定性能力，從而導致平衡形式發生改變出現失穩。與分支點和極值點失穩不同，跳躍失穩主要是當鋼結構構件狀態失去穩定性平衡后，跳躍至其他穩定性平衡狀態。如圖2所示，在荷載q下，荷載曲線OA成穩定上升階段，一旦曲線達到最高點A，就會自動跳躍到C點，拱結構下垂，由于AB曲線不穩定，而BC曲線處于穩定上升階段，不存在分支點和極值點，因此，斷定鋼結構失穩。

圖2 跳躍失穩

2 影響鋼結構穩定性設計的主要因素

盡管鋼結構穩定性設計處于不斷完善的階段，但是，在實際穩定性設計過程中，由于設計者忽略了鋼結構材料自身所具有的缺陷，為了便于計算，在使用鋼結構材料時，常作為彈性塑性材料進行分析，對其材料自身存在的殘余應力、初偏心和彎曲等客觀存在的缺陷被忽略，從而造成計算出現偏差，影響鋼結構穩定性。除此之外，多隨機性也是對鋼結構穩定性設計造成影響的主要因素之一。在目前通過鋼結構隨機性影響因素所解決的問題，僅僅局限在結構參數和隨機荷載的確定與輸入范圍內。在實際鋼結構工程中，不確定性的結構參數使結構響應存在明顯差異。因此，在實際鋼結構穩定設計中，影響因素主要涉及物理幾何和統計的不確定性、模型的不確定性。如材料、截面積無法在計算中反映出各種因素的不確定，這樣一個理論與實際承載的差異，都歸結與以上三種不確定性因素，因此，只有不斷全面對這些不穩定因素進行深入探討，才能進一步完善對鋼結構穩定性的設計。

3 鋼結構穩定性設計

3.1 鋼結構穩定性設計的基本準則

首先，鋼結構在安排的時候，必須要詳細對整個鋼結構體系和組成部分的穩定性要求進行考慮。由于目前許多鋼結構的設計主要是以平面體系為主，因此，為了確保平面結構不會發生失穩狀況，鋼結構平面的整體安排是整個穩定性設計的關鍵。例如：在框架和桁架上增加支撐構建。同時，還要確保結構構件的穩定計算必須要與結構安排保持一致。

其次，鋼結構需計算的簡圖必須要與實際鋼結構計算方式所規定的簡圖相同。在進行單層、多層框架結構設計的過程中，要進行穩定性計算，以獲取框架穩定的柱長度系數，并通過穩定性分析，確保柱穩定計算與框架穩定性計算想同。根據我國鋼結構設計制定的相關規范假定中，我們得知，框架穩定參數和桿件穩定計算都是根據簡化假設獲得。例如：框架柱同時到達臨界荷載、失穩。因此，設計者在進行鋼結構穩定設計的時候必須滿足基本規范假設才能使用。

最后，鋼結構穩定性設計與鋼結構穩定性計算必須保持一致。由于確保鋼結構構造和構建穩定性計算的一致是設計中最為注重的問題，因此，傳遞或不傳遞彎矩節點的連接將分別增加其剛柔度，而桁架節點則以減少其桿件偏心為主。在考慮穩定性時，從不同強度的需求進行鋼結構構造考慮。

3.2 鋼結構穩定性計算

通過采用軸心壓桿穩定計算的方式，對鋼結構穩定性整體進行分析。該計算方式主要結合了臨界壓力求解和折減系數法。因此，根據公式：，其中，E為材料特性、I為截面特性、l為桿長度。通過公式，桿件在軸心壓力下發生彎曲，造成剛度減弱，一旦壓力臨界值為NE時，那么桿件彎曲剛度就會為零。由于在實際的鋼結構施工過程中桿件軸線不會以直線出現，一般都會存在較小的彎曲。如圖3所示。

圖3 鋼結構中桿件軸線

通過圖3我們得知，當桿件承受壓力N時，壓力N的加大將會導致撓度也會隨之加大。假設初始的彎曲屬于正弦曲線中的半個波，那么其坐標為：y0=v0sinπx/l，平衡公式則為：，計算得總撓度：，其中，N=NE時，Vm無窮大，這就表明，桿件剛度在臨界載荷條件下，無法保持穩定性。在計算穩定性時，一定要確保構件實際承受力條件相同，如果不同則需要進行修正。

3.3 加固鋼結構

在鋼結構穩定性設計過程中，加固的方式有多種。如：對結構計算圖形進行改變加固、減輕荷載、對加固固件連接等。

3.3.1 對結構計算圖形進行改變加固鋼結構

該加固方式主要是通過將荷載分布狀況和邊界條件、傳力途徑和節點性質進行改變，從而增加一些輔助桿件和支撐結構來實行加固。在結構計算圖形中增加輔助桿件和支撐，不僅能夠幫助結構增加空間結構，而且還能夠幫助結構增強剛度、調整自振頻率等，并通過驗算使鋼結構穩定性的承載力和動力獲得提高。同時，還能夠減少鋼結構的長細比，使鋼結構穩定性更強。例如：在排架結構中，可以通過增加柱的剛度，在減少柱負荷的條件下提高承受力，使結構更具穩定性。

3.3.2 減輕和改變荷載分布加固鋼結構穩定性

通過改變受彎桿件的荷載，將單獨一個集中端部支撐荷載承受，轉變成為多個端部支撐荷載承受進行加固。例如：將鉸接轉變成為鋼接，在支座中間單獨連接結構轉變成為連續連接結構，并對支座位置進行調整，同時可以將結構轉變成為撐桿結構，并增加預應力拉桿施加預應力，在選取截面加固時，一定要注意截面形式必須要更具實際加固缺陷和損傷滿足加固要求，才能使鋼結構更為穩定。

3.3.3 加固固件連接

通過采用焊縫、普通或高強度螺栓，以及柳釘等方式將鋼結構進行連接加固。在加固連接鋼結構時，必須根據實際工程鋼結構需要進行加固。例如：鋼結構加固的原因和目的、鋼結構實際受力情況和構造等進行分析后，才能確定固件連接方式。一般情況下，采用焊縫連接的過程中，注意要選用已被確認的焊接工藝與連接材料才能進行焊接加固，以確保鋼結構穩定性。

綜上所述，在鋼結構穩定性設計中，作為主要的因素承載力決定著穩定性設計的關鍵，而鋼結構穩定性設計完善，對我國可持續發展有著重要作用。由于鋼結構穩定性受多種因素的影響，使穩定性設計的難度再次加大，因此，在結構穩定設計中，根據鋼結構失穩的種類，全面考慮影響鋼結構穩定性設計的主要因素條件下，克服以往穩定設計存在的缺陷，加固設計避免失穩造成巨大損失，使鋼結構日后應用更為廣泛。

[1]龔海龍，侯舒蘭.鋼結構穩定性設計的研究與分析[J].科技傳播，2010（13）.

[2]郭明明，付永峰.關于鋼結構穩定設計的探討[A].土木建筑學術文庫（第13卷）[C]，2010.

[3]魏震南，寶金良.淺談鋼結構設計的步驟[J].民營科技，2010（02）.