關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中的要點問題分析

【摘要】本文主要就鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計問題進行了深入的探討。在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)有的損失。 本文在此提出了自己的一些看法，可供同行參考。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)； 穩(wěn)定性； 設(shè)計

一、前言

鋼結(jié)構(gòu)自身具有強度高、自重輕等諸多優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用，但其自身仍存在一定缺陷，在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，保持穩(wěn)定性是經(jīng)常遇到的問題，也是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵所在。一旦出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故，不但對經(jīng)濟造成嚴重的損失，而且會造成人員傷亡。因此工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題在設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)該注重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能，以免在設(shè)計過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失

二、建筑鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

首先鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕，延性好的特點，因此將其應(yīng)用在建筑中，可以很好的突出抗震優(yōu)勢。主要因為鋼結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量較小，其地震力效應(yīng)自然也小。良好的延性同樣對地震效應(yīng)有著很好的緩沖作用。通常混凝土施工時管道需要通過梁底，占用了較大的空間，迫使樓層的凈高減少。而通過采用鋼結(jié)構(gòu)，可有效提高各樓層之間凈高效果。其次，鋼結(jié)構(gòu)建筑還具有地域應(yīng)用優(yōu)勢。與其他施工結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)施工速度較快，這一特點對于不利于施工冬季較長的西部地區(qū)來說，優(yōu)勢非常明顯，它不但保證了施工質(zhì)量、縮短了施工周期而且還可有效減少因施工帶來的溫度等問題。第三，鋼結(jié)構(gòu)建筑具有較好的保溫性能。北方地區(qū)冬季室內(nèi)采暖期較差，部分地區(qū)可達半年之久，引起對外墻保溫措施的要求相對較高。鋼結(jié)構(gòu)主宰與傳統(tǒng)磚墻結(jié)構(gòu)相比，其墻體通過選用相配套的建筑板材，可有效確保其良好的保溫性能，從而滿足北方用戶居住的基本需求，同時也有效實現(xiàn)了建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢。

三、鋼結(jié)構(gòu)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)）。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—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(gòu)件，在塑性發(fā)展到—定程度時喪失穩(wěn)定的能力，屬于這—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—個穩(wěn)定平衡狀態(tài)。區(qū)分結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型的性質(zhì)十分重要，這樣才有可能正確估量結(jié)構(gòu)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(jīng)不夠了。設(shè)計為軸心受壓的構(gòu)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(gòu)件的性能，就必須了解缺陷對它的影響，其他構(gòu)件也都有個缺陷影響問題。另一方面就是深人對構(gòu)件屈曲后性能的研究。

四、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點

1、失穩(wěn)與整體剛度的設(shè)計方法：軸心壓桿的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計法是采用臨界壓力求解法與折減系數(shù)法等。

2、穩(wěn)定性整體分析：穩(wěn)定分析需要從整體著眼，主要是看其桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到整體的結(jié)構(gòu)。

3、有關(guān)穩(wěn)定計算的另一特點：鋼結(jié)構(gòu)彈性的穩(wěn)定計算，除了需要了解結(jié)構(gòu)的整體體系外，還有另一些特點要引起重視。第一，進行二階分析，這種分析法對柔性構(gòu)件尤為適用，這是由于柔性鋼構(gòu)件，其變形量大，對鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生了很大的影響；第二，迭加原理的應(yīng)用，這樣有利于營利，但是在彈性穩(wěn)定設(shè)計中，則不適合應(yīng)用。這是由于迭加原理的應(yīng)能滿足并服從鋼材的胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系；而彈性穩(wěn)定設(shè)計不適合結(jié)構(gòu)變形很小的鋼結(jié)構(gòu)，采用非彈性穩(wěn)定計算，那么這兩個條件都不適合。

五、鋼結(jié)構(gòu)的三個設(shè)計原則

為了確保穩(wěn)定鋼構(gòu)件更好的設(shè)計且不失穩(wěn)，要注意遵循下列三項原則。

1、整體性原則：鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計需要考慮整個建造體系，以及整體與部分組成的穩(wěn)定性要求。

2、相一致原則：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的計算簡圖與通過計算方法所依照的簡圖是一致的，一致性在鋼結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定中起到十分重要作用。

3、相互配合原則：尤其是在精細構(gòu)件的設(shè)計結(jié)構(gòu)與其穩(wěn)定性計算必須相互配合，使二者的計算結(jié)果相—致。

六、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中注意的問題

1、注意強度與穩(wěn)定的區(qū)別。強度問題是指結(jié)構(gòu)或者單個構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起地最大應(yīng)力（或內(nèi)力）是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應(yīng)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(jié)構(gòu)內(nèi)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(shè)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(cè)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、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計要點。在符合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則前提下，要保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性還需滿足以下條件：（1）鋼結(jié)構(gòu)布置必須從體系和各組成部分的穩(wěn)定性要求整體考慮，目前鋼結(jié)構(gòu)大多是按照平面體系進行設(shè)計，如桁架和框架、保證平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，要求平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定計算需與結(jié)構(gòu)布置相一致，如增加必要的支撐構(gòu)件等。（2）實用計算方法所依據(jù)的簡圖與結(jié)構(gòu)計算簡圖保持一致中層或多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計框架穩(wěn)定分析通常是省略的，只進行框架柱的穩(wěn)定計算、由于框架各柱的桿件穩(wěn)定計算的常用力法、穩(wěn)定參數(shù)等是依據(jù)一定的簡化典型情況或假設(shè)者得出的，因此設(shè)計者要能保證所有的條件符合假設(shè)時才能應(yīng)用。

3、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在許多隨機因素的影響， 一般情況下，影響鋼結(jié)

構(gòu)穩(wěn)定性隨機因素可分成三類：物理、幾何不確定性、統(tǒng)計不準(zhǔn)確性、模型不確定性。目前結(jié)構(gòu)隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，會引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著差異。所以應(yīng)著眼于考慮隨機參數(shù)的結(jié)構(gòu)極值失穩(wěn)、干擾型屈曲、跳躍型失穩(wěn)問題的研究。

4、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題也具有相關(guān)性：在結(jié)構(gòu)整體布置中，必須考慮整個體系及其組成部分的穩(wěn)定性要求。應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)布置方案是否能夠?qū)﹁旒芄?jié)點提供平面外約束，這是確定桁架等桿件出平面穩(wěn)定時應(yīng)該十分注意的。例如，土耳其—體育場的看臺項蓋，桁架在荷載作用下大部分下弦桿受壓，而設(shè)計者卻把支撐設(shè)在桁架上弦平面內(nèi)，計算受壓下弦桿穩(wěn)定時，又未考慮出平面穩(wěn)定，最終導(dǎo)致頂蓋塌落。

5、借助于計算機技術(shù)和相關(guān)軟件的發(fā)展。目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面內(nèi)強度及整體穩(wěn)定計算可由計算機輔助完成，而由設(shè)計者對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面外強度及穩(wěn)定計算，進行分析、計算和設(shè)計，為了提高效率和提供方便，在設(shè)計時可將整個結(jié)構(gòu)按標(biāo)高進行分解，簡化成不同水平荷載作用下的多個布置形式的結(jié)構(gòu)體系來進行強度和穩(wěn)定的計算。

七、結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)自重輕、強度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，同時鋼結(jié)構(gòu)建筑還符合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑對提高城市建設(shè)水平有很大作用。設(shè)計者應(yīng)該注意對影響鋼的穩(wěn)定性因素進行分析，特別是當(dāng)有組件缺陷，殘余應(yīng)力及其他不明朗因素時，設(shè)計者要小心處理。將強度鋼的穩(wěn)定性問題區(qū)分開來。在設(shè)計實踐過程中，設(shè)計師更應(yīng)該注意結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計過程中的穩(wěn)定性，要盡可能避免由于構(gòu)件的不穩(wěn)定而發(fā)生不必要的損失。

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