鋼結構穩定性分析及加固方法研究

張博 于毅 夏宗發 郭凱

摘 要：鋼結構工程是現代建筑工程中較普通的結構形式之一，具有穩定性和抗震性能好等特點。鋼結構設計中的突出問題之一就是結構的穩定性，如果設計不當，出現失穩現象將直接影響到工程的質量和安全。在現實生活中，很多工程事故案例都是因為鋼結構設計不合理，存在結構設計缺陷所致。為了避免類似事故的發生，該文從鋼結構失穩的分類、鋼結構穩定性設計的基本原則、鋼結構加固的方法等三個方面詳細分析了有關設計經驗及原則，并提出了有針對性的對策和建議。

關鍵詞：鋼結構 穩定性 設計原則 加固方法

中圖分類號：S61 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（a）-0063-02

鋼結構設計中的突出問題之一就是結構的穩定性，無論何種類型的鋼結構，都應當考慮其失穩問題。如果鋼結構的失穩設計不當，將會存在事故隱患，造成不應有的損失[1]。因為鋼結構失穩導致的工程事故案例在現實社會中已發生多起。例如，2010年1月3日發生的昆明新機場38 m鋼結構橋跨垮塌事件，造成7人死亡、8人重傷、26人輕傷，發生事故的原因是橋下鋼結構支撐體系突然失穩，8 m高的橋面隨即垮塌下來。究其造成事故的原因通常是由于設計者的經驗不足，結構設計不合理，導致結構設計存在缺陷，因此，要從根本上避免類似事故的發生，鋼結構穩定性設計是關鍵。

1 鋼結構失穩的分類

1. 1 具有平衡分岔的穩定問題

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時，構件保持平直，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時，構件會突然發生彎曲，導致原有的軸心受壓平衡形式發生改變，從而出現分支點失穩，即平衡分岔的穩定問題[2]。完善的（即無缺陷、挺直的）軸心受壓構件和完善的在中面內受壓的平板的失穩都屬于這一類失穩問題。從設計的角度看，這類鋼結構具有承擔大于屈曲荷載的承載能力，即具有屈曲后強度，因此，這種屈曲破壞是有預兆的延性破壞。

1.2 無平衡分岔的穩定問題

無平衡分岔的穩定問題，即極值點失穩，這種現象比較普遍，常常出現在鋼結構設計中。該失穩主要是由于鋼材做成的偏心受壓構件，在塑性發展到一定程度時喪失穩定的能力，從而導致平衡形式發生改變出現失穩。在通常的實際操作中會把極值點失穩轉換為分支點失穩來進行處理。

1. 3 躍越失穩問題

這類失穩不同于以上兩種類型，其既無極值點，又無平衡分岔點，它是在喪失穩定平衡之后跳躍到另一個穩定平衡狀態。例如，扁殼、坦拱、空間桁架和扁平的網殼有可能發生跳躍失穩。但在實際工程中是不允許出現這樣大的變形，所以應該以臨界荷載作為承載的極限。從設計的角度看，這此類結構的跨高比越大，臨界荷載越小。初始幾何缺陷對結構的臨界荷載影響不大。

由此可見，區分結構失穩類型的性質十分重要，這樣才能正確估量結構的穩定承載力。設計為軸心受壓的構件，實際上總不可避免地會有一點初彎曲，荷載的作用點也難免有偏心。因此，要真正掌握這種構件的性能，了解缺陷對它的影響，其他構件也都有缺陷影響問題[3]。

2 鋼結構穩定性設計的基本原則

在鋼結構設計過程中，要綜合考慮建筑的實際情況以及建筑使用要求，最大限度的確保所設計的鋼結構可以很好的符合標準。在設計中，應當在滿足穩定性和強度的前提下，最大可能的降低鋼材使用量，減少鋼結構的自重，以便可以在出現較大負荷的情況下，使得鋼結構具備良好的承載能力。在施工過程中，還應當減少不必要的安裝實踐和制造實踐，以便可以更好的運輸和維護鋼結構，使總成本能夠有效降低。除此之外，所設計的鋼結構還應盡可能地具備一定的審美價值[4]。

3 加固鋼結構的方法

鋼結構的穩定性會受到施工過程中的諸多外界因素影響，因此，在鋼結構穩定性設計中，需要借助一些必要的加固方法對鋼結構進行加固，確保其整體穩定性可以滿足建筑使用要求，這對提高建筑物的整體性能具有重要意義[5]。為了提高鋼結構的穩定性設計質量使其滿足建筑使用要求。目前，對鋼結構穩定性加固的主要方法有：對結構計算圖形進行改變加固、減輕荷載、連接點加固、纖維增強復合材料結構加固等。

3.1 改變結構計算圖形的加固

改變結構計算圖形的加固方法是指采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節點的性質和邊界條件等[6]，通過合理增設附加桿件和支撐來對結構施加預應力，同時還要考慮空間協同因素的應用，這樣就可以使鋼結構的穩定性得到進一步強化。

例如，某醫院的鋼結構大廳存在構件截面選擇不當等問題，陳耀等[7]針對上述問題重新對該結構進行內力和位移驗算。依據驗算的結果、現場檢測獲得的材料及結構性能參數，采用體外預應力技術對不滿足要求的構件進行加固，加固后的鋼結構大廳，鋼梁的撓度和承載能力均可滿足規范及正常使用的要求。該加固方法是將預應力筋布置在待加固構件的截面之外，通過改變結構的傳力路徑減少構件的荷載效應，同時改良原結構承載力的一種加固技術，不僅改善了梁的承載能力，還改善了構件的變形性能。

3.2 減輕及改變荷載的分布

通過受彎桿件荷載的改變，把單獨的集中端部支撐荷載承受轉變為多個的端部支撐的荷載承受并進行相應的加固。在選取截面進行加固時，一定要注意到截面的形式，其須具有實際的加固缺陷與損傷滿足的加固要求，這樣才能確保鋼結構變得更加穩定[8]，這樣也是改善鋼結構穩定性設計的有效方法。

3.3 連接點加固

鋼結構的節點連接是鋼結構整體作用的關鍵環節，在設計和施工過程中，要做到“強節點，強連接”。鋼結構連接加固的方法，即采用焊縫、鉚釘、普通螺栓或高強度螺栓等方式對鋼結構進行連接加固。在實際工程中應首先依據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，再確定固件連接方式。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進行焊接加固，以確保鋼結構穩定性。王元清等[9]根據現行設計規范對某鋼結構辦公樓工程鋼管桁架T型節點和K型節點進行了全面的復核計算，對強度不滿足要求的節點進行了加固分析，其中K型節點選擇肋板加固，T型節點選擇套管加固，并通過有限元軟件對節點的加固后強度進行了計算分析，結果證實了加固后節點能滿足安全要求。

3.4 纖維增強復合材料結構加固技術

纖維增強復合材料（ Fiber Reinforced Polymer， 簡稱FRP） 是由增強纖維材料與基體材料經過纏繞、模壓或拉擠等成型工藝而形成的復合材料。根據增強材料的不同，常見的纖維增強復合材料可以分為：玻璃纖維增強復合材料（GFRP），碳纖維增強復合材料（CFRP）以及芳綸纖維增強復合材料（AFRP）等類型。纖維增強復合材料結構加固技術具有明顯的優勢：（1）具有較高的比強度和比剛度，加固后原結構的自重和尺寸基本不變；（2）復合材料具有良好的耐腐蝕和抗疲勞性能；（3）柔性的復合材料能夠用于任意封閉或形狀復雜的鋼結構加固。密封性好，減少了滲漏甚至腐蝕的隱患；（4）成本低、效率高、易于操作，在狹小空間亦可施工，適于現場修復；（5）適用范圍廣，由于施工過程中不會出現明火，可以用于各種特殊環境[10]。纖維增強復合材料加固鋼結構技術是將纖維增強復合材料粘貼到受損鋼結構的表面，使一部分荷載傳遞到纖維增強復合材料上，降低受損構件的應力水平，從而達到加固鋼結構的效果，延長受損鋼結構構件的使用壽命[11]。

4 結語

從已經發生的諸多工程案例中已經證實鋼結構的失穩破壞是比較突然的，屈曲一旦發生，結構隨即崩潰，十分危險。因而從事鋼結構的設計人員應特別重視鋼結構的穩定問題，了解引起鋼結構失穩的因素，掌握正確的計算方法，豐富穩定性設計的相關知識，克服結構設計缺陷，從而避免工程中的失穩破壞。在鋼結構穩定性的研究領域中，還有諸多尚未解決的問題，總之，只有認真對待鋼結構的穩定問題，才會使得鋼結構設計理論和方法不斷地完善。

參考文獻

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