淺談鋼結構穩定性

楊冠三

摘 要：與傳統的鋼筋混凝土結構相比，鋼結構因具有自重輕、強度高、工業化程度高等優點在建筑工程中得到了廣泛的應用。鋼結構日益發展的同時鋼結構設計存在的問題也日益增多，穩定性是一個突出問題。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。本文提出了設計中應該掌握的一些鋼結構穩定的基本概念，以及鋼結構穩定性研究中存在的問題。

關鍵詞：鋼結構；鋼結構特點；鋼結構穩定；鋼結構設計；失穩

1 鋼結構的特點

鋼結構施工時間短、用于施工的鋼結構構件可以是工廠化生產、現場安裝，可以大大縮短施工的時間，節約時間；可循環利用：鋼結構建筑的施工材料可以實現再生利用，這樣就減少了大量的建筑垃圾；空間大：由于鋼材的抗壓、抗側彎強度均為混凝土的1.5倍，因此在等同強度的條件下可以縮小截面從而增大了有效的空間；耐腐蝕性差：由于鋼材表面的鐵原子與空氣中的氧化合會生成氧化鐵銹，銹蝕能夠引起應力集中，從而危害鋼結構建筑的使用安全使鋼結構建筑壽命減短，因此對鋼結構建筑進行有效的防腐措施才能確保其使用時間；耐火性差：鋼材的導熱系數遠遠大于鋼筋混凝土的導熱系數，其耐火性能也遠遠差于混凝土結構。因此在鋼結構建筑中抗火被看做重要一環；抗震性能好，由于鋼結構屬于柔性結構、自重輕，能有效地降低地震響應及災害的影響程度，有利于抗震。

2 鋼結構穩定設計特點

首先，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。再者，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。在彈性穩定計算中，除了需要考慮結構的整體性外，還有一些其他特點需要引起重視，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。在彈性穩定計算中不能應用。這是因為迭加原理的應用應以滿足以下條件為前提：

① 材料服從虎克定律變成正比；

② 結構的變形很小。

而彈性穩定計算一般均不能滿足第②個條件，非彈性穩定計算則兩個前提都不符合。了解了一些在鋼結構設計中應該明確的一些基本概念，有助于我們在設計中更好地處理穩定方面的問題，隨著新型鋼結構體系地不斷發展，我們對穩定問題的研究要求也不斷地提高，之所以在設計中出現結構失穩問題，另一個重要原因就是我們對新型結構穩定知之甚少，也就是目前鋼結構穩定研究中存在的問題。

3 鋼結構穩定性設計的原則

極限強度的取值因材料的特性不同而異，對鋼材是取它的屈服點。穩定主要是找出外部荷載與結構內部抵抗力間不穩定的平衡狀態，即變形開始急劇增長而需設法避免進入的狀態，因此它是一個變形問題。針對鋼結構穩定設計的原則，首先，要求平面結構構件的平面穩定計算需與結構布置相一致。鋼結構布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩定性要求。目前，鋼結構大多數是按照平面體系來設計的，如桁架和框架。保證這些平面結構不出現平面外失穩，需要從結構整體布置來解決，如增加必要的支撐構件等。再者，結構計算簡圖需與實用計算方法所依據的簡圖一致。當設計單層或多層框架結構時，通常不做框架穩定分析而只做框架柱的穩定計算。采用這種方法計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數，應通過框架整體穩定分析得出，使柱穩定計算等效于框架穩定計算。嚴格遵循《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）。

4 鋼結構穩定性研究中存在的問題

鋼結構體系穩定性研究雖然取得了一定的進展，但也存在一些不容忽視的問題：

1）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。

2）在網殼結構穩定性的研究中，梁-柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁- 柱單元是否能真實反映網殼結構的受力狀態還很難說，雖然有學者對梁- 柱單元進行過修正。主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應。

3）目前大跨度結構設計中取一個統一的穩定安全系數，未反映整體穩定與局部穩定的關聯性。在大跨度結構設計中整體穩定與局部穩定的相互關系也是一個值得探討的問題。

4）隨機因素的影響：目前結構隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結構參數。隨機荷載輸入這樣一個格局范圍，而在實際工程中，由于結構參數的不確定性，會引起結構響應的顯著差異。所以應著眼于考慮隨機參數的結構極值失穩、干擾型屈曲、跳躍型失穩問題的研究。

上邊這些都是鋼結構穩定設計中存在的問題，只有我們進一步地深入研究這些穩定，鋼結構穩定理論將會進一步完善，如對于鋼結構穩定設計中涉及到隨機因素的影響，國外已經引入了鋼結構穩定的可靠度設計，這也表明了鋼結構穩定設計理論也在不斷的完善。

5 結語

鋼結構因具有自重輕、強度高、工業化程度高等優點，在建筑工程中應用很廣泛。但鋼結構失穩也常有發生。鋼結構穩定問題是很復雜的，尤其當構件存在初始缺陷、殘余應力以及非線性因素的影響時，就更增加了解決穩定問題的難度。另外，在工程結構穩定性的研究領域中，像大跨度橋梁、大跨度薄殼、大跨度大空間網殼、高層與超高層建筑結構的雙重非線性動力穩定性等問題還沒有解決。但我們相信通過加強對結構的整體穩定、局部穩定以及平面外穩定的設計，克服結構設計缺陷，其應用的領域會越來越廣泛。

參考文獻

[1]陳驥.鋼結構穩定理論與設計[M].第3 版.北京： 科學出版社，2006.

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[3]陳紹蕃.鋼結構設計原理[M].北京：中國建筑工業出版社， 2004.

[4]GB50017-2003，鋼結構設計規范[S].