鋼結構設計中穩定性分析

蔣君全

摘 要：穩定性是鋼結構設計中的一個重要問題，它的穩定性會直接影響工程的質量和安全。在現代工程史上，有許多因為鋼結構失穩而引發的事故，進而造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。所以，為了控制工程的質量和安全，預防工程事故的發生，加強鋼結構設計中的穩定性是非常必要的。簡要分析了鋼結構設計中存在的問題，并提出相關建議。

關鍵詞：鋼結構設計；穩定性；構建性能；工程質量

中圖分類號：TU391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）21-0085-02

隨著經濟的快速發展，鋼結構在工程中的應用越來越廣泛。在很多鋼結構建筑中，普遍存在鋼結構穩定性差的問題，這不僅會使建筑工程存在巨大的安全隱患，還會造成重大的經濟損失和人員傷亡，所以，鋼結構的穩定性設計在建筑工程中是非常重要的。而鋼結構穩定性差的問題是由多方面原因造成的，比如設計人員經驗不足、對鋼結構和構件性能的了解不充分和缺乏對鋼結構工程中穩定性的專業認識等。

1 穩定性的設計原則

1.1 構件與細部構造穩定性計算方法一致

在鋼結構設計中，要使構造設計與結構計算相匹配，以滿足構件穩定性和設計結構細部構造的一致性。對傳遞彎矩和不傳遞彎矩的連接節點，應該分別給予足夠的剛度和柔度；對桁架節點的設計也應盡量減少桿件偏心等，這些僅僅是設計構件細部構造。但是，當涉及到穩定性時，對細部構造就會有其他要求，比如簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求只是阻止位移和允許其在平面內轉動，然而在處理梁整體的穩定性時，支座除了要滿足上述要求外，還需要阻止梁繞縱軸扭轉，允許梁在水平面內轉動和梁端截面自動翹曲。

1.2 兼顧整體和組成部分穩定性的要求

目前，大部分鋼結構設計都是以平面體系為出發點的，比如桁架設計和框架設計等。為了避免出現平面失穩問題，需要從鋼結構的整體布局出發，設計有針對性的支撐構件，也就是說要使平面構件的結構布置與平面穩定計算保持一致。比如，在平面桁架組成的塔架中，要注意橫隔設置和桿件之間的穩定性。

1.3 計算方法與結構簡圖一致

在設計單層和多層框架結構時，并不分析框架穩定性，而要計算框架柱的穩定性。采用這種方法計算框架柱穩定性時用到的計算長度系數，應該分析框架整體的穩定性，這樣才能使最終框架穩定計算等效于柱穩定計算。此外，如果計算方法與結構簡圖不一致，就需要調整所使用的計算方法，以保證鋼結構穩定性分析的要求。

2 設計特點與重要性

2.1 結構整體穩定性

在分析鋼結構設計中的穩定性時，必須要從鋼結構的整體出發，考慮桿件的穩定性和結構整體的穩定性。

2.2 整體剛度與失穩問題

對鋼結構設計中整體剛度和失穩問題來說，目前通用的規范計算方法是臨界壓力求解法和折減系數法，以此計算軸心壓桿的穩定性。

2.3 彈性穩定分析

彈性穩定計算是鋼結構設計穩定性中的重要內容之一，除了要考慮鋼結構的整體性外，還要考慮以下兩方面的因素：①要做二階分析。這種分析在柔性構件上顯得尤為重要，因為柔性構件的變形量會對結構內力產生重大影響。②要考慮應力問題的疊加原理。不能將這種原理應用在彈性穩定計算中，是因為彈性穩定計算不符合疊加原理的結構變形。

3 設計中存在的問題

3.1 不確定性因素

在鋼結構體系設計中，有許多不確定性因素會影響設計的穩定性，比如物力、幾何不確定性因素，包括材料（彈性模量、屈服應力等）、桿件尺寸、截面積、殘余應力和初始變形等。在確定與穩定性有關的幾何量和物理量時，大多會根據以往經驗分析問題，而不結合實際情況。另外，設計人員在分析鋼結構時，所提的假設、數學模型、邊界條件與目前的技術發展水平不相符，難以將其反映在計算中，導致理論值與實際承載力有差異等。目前，結構隨機影響分析所處理的問題大多局限于確定的結構參數、隨機荷載輸入的格局范圍內，而在實際工程中，由于參數的不確定性，會引起結構響應的明顯差異。

3.2 梁—柱穩定性設計

在網殼結構穩定性設計中，梁—柱單元理論已經成為了主要的設計方法，但是，梁—柱理論不能完全反映網殼結構的受力狀態，比如軸力和彎矩的耦合效應等。梁—柱是整個鋼結構穩定性設計中最基礎的部分，所以，在鋼結構穩定性設計中，要充分注意梁和柱的穩定性以及兩者之間的力學效應。

3.3 預張拉體系不完善

預張拉鋼結構體系是鋼結構穩定性設計中的另一個重要組成體系。以往預張拉體系的理論并不是很完善，沒有一個完整、合理的理論體系來分析預張拉結構中的穩定性，所以，難以保證工程的穩定性，因此，要建立一個科學、完善的預張拉結構體系理論。

3.4 整體穩定與局部穩定

在鋼結構穩定性設計中，存在大跨度的鋼結構的整體穩定性和局部穩定性計算不到位的情況。雖然它的穩定性計算借鑒了以往的經驗來確定整體穩定性和局部穩定性之間的安全系數，但是，并沒有結合具體的工程情況來計算一個較為科學的安全系數，所以，它不能真實反映整體穩定性與局部穩定性之間的關系，不能保證鋼結構設計的穩定性。

4 有效措施

針對鋼結構穩定性設計中存在的問題，在實際設計中，應找出科學、合理的解決問題的方法，盡量減少影響穩定性的因素，這樣才能夠降低由鋼結構設計穩定性而引發事故的概率。

4.1 減小不確定性因素影響

不確定性因素對鋼結構穩定性設計造成的影響是難以避免的，但是，可以利用一些方法來減小這種影響，提高鋼結構穩定性設計的可靠性。比如，可以為鋼結構進行力學性能分析和設計，或者從設計的眾多實驗中選擇一個較為合理的方案等。

4.2 合理地運用梁—柱理論

梁—柱理論是當前鋼結構穩定性設計中最基礎的理論，也是最重要的理論。在鋼結構設計中，要實際考察鋼結構工程的場地、材料、設計方案等相關事項，合理地運用梁—柱理論分析鋼結構設計中細部構造和構件之間的穩定性、整體結構和組成部分之間的穩定性等，達到提高鋼結構設計穩定性的目的。

4.3 完善預張拉結構理論體系

預張拉結構理論體系對鋼結構穩定性的設計是極為重要的。建立一套科學、完善、合理的預張拉結構體系理論，根據這個理論體系分析預張拉結構，最終得出準確的結果，這樣能夠確保達到鋼結構穩定性設計的要求。

4.4 重視局部與整體之間穩定性的關系

避免采用根據經驗確定局部穩定性與整體穩定性之間安全系數的方法，加強對鋼結構局部穩定性與整體穩定性之間關系的重視程度。根據鋼結構工程的實際情況，考察現場、材料等相關因素，科學地計算出一個較為可靠的安全系數，減小誤差，提高鋼結構穩定性設計的準確性。

5 結束語

鋼結構設計中的穩定性是影響鋼結構工程安全和質量的重要因素之一。在實際設計中，設計人員應該明確結構構件的穩定性能，避免鋼結構穩定性設計中出現的問題，要掌握鋼結構穩定性設計的原則。根據工程的實際情況進行鋼結構穩定性設計，避免在其使用過程中出現失穩現象，引發重大的安全事故。

參考文獻

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[2]趙雪仰，郭杰，劉敏，等.鋼結構穩定性設計[J].科技信息，2012（29）.

[3]董晨濤.淺談鋼結構穩定性設計[J].建筑工程技術與設計，2014（21）.

〔編輯：白潔〕

Stability Analysis of Steel Structure Design

Jiang Junquan

Abstract： Stability is the design of steel structures is an important issue； it will directly affect the stability of the project's quality and safety. In the history of modern engineering， there are many because the steel instability caused the accident， and cause serious economic losses and casualties. Therefore， in order to control the quality and safety engineering， accident prevention of the project to strengthen the stability of the steel structure design is necessary. This paper analyzes the problems in design of steel structures， and makes recommendations.

Key words： design of steel structures； stability； build performance； engineering quality