鋼結構穩定設計的經驗介紹

趙宏遠

【摘 要】鋼結構的穩定性能是決定其承載力的一個重要因素，因此論文對鋼結構穩定設計提出了在設計過程中設計人員應該明確知道的一些基本概念，以便幫助設計人員在設計中樹立正確而完整的穩定分析和穩定設計的理念；隨著新型結構不斷地出現，在應用過程中，對其性能不夠了解、設計經驗有缺陷，導致發生失穩事故，因此論文介紹了鋼結構設計中可能遇到的穩定問題，以便設計人員在鋼結構設計過程中參考。

【關鍵詞】鋼結構；結構穩定；失穩結構設計

Experience of Stable Design of Steel Structures

Zhao Hong-yuan

（Shaanxi letter Long Construction Engineering Design Consulting Co.， Ltd Xi'an Shaanxi 710000）

【Abstract】The stability of the steel structure is an important factor in determining its bearing capacity. Therefore， the paper puts forward some basic concepts that the designers should know clearly in the design process in order to help the designers to establish a correct and complete design in the design of the steel structure. Stability analysis and stability of the design concept； with the new structure continues to appear in the application process， its performance is not enough understanding of the design experience is flawed， resulting in the occurrence of instability accidents， so the paper describes the steel structure design may encounter Stability issues， so that designers in the steel structure design process reference.

【Key words】Steel structure；Structural stability；Unstable structure design

1. 引言

鋼結構的穩定問題普遍存在于鋼結構設計中，凡是結構的受壓部位，在設計時都必須認真考慮其穩定性。每當一種新結構或構件出現時，在應用過程中，因對其性能了解不夠或設計經驗不足，均有可能發生失穩事故。現代工程史上鋼結構失穩造成的事故案例也比較多，如1990年2月16日遼寧某重型機械廠新增會議室，屋蓋塌落，造成42人死亡，原因是由于設計者誤將寬度只有14.4m重型屋蓋結構采用了梭形輕鋼屋架，且錯用了計算長度系數，造成屋架腹桿平面外出現半波屈曲，導致屋蓋迅速塌落；美國Connecticut州Hartford城91.4mx109.7m的體育館網架，在1978年1月大雪后倒塌，原因是由于設計者只考慮了壓桿的彎曲屈曲，沒有考慮彎扭屈曲；1957年前蘇聯古比雪夫列寧冶金廠鍛壓車間，7榀1200m2屋蓋塌落，起因是一對尺寸相同的拉壓桿裝配顛倒；1974年蘇聯一個俱樂部觀眾廳24mx39m鋼屋蓋倒塌，起因是受力較大的鋼屋架端斜桿失穩。從上述案例可以看出，鋼結構失穩破壞的原因通常是其結構設計不合理及不確定因素所致，要從根本上杜絕此類事故的發生，鋼結構穩定性設計是關鍵。因此設計者要了解各種情況下失穩的原理，掌握各種穩定設計的要領，以期在設計、施工和使用中能有效地避免失穩事故的發生。

2. 鋼結構穩定設計的基本概念

2.1 強度與穩定的區別。

強度問題是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載所引起地最大應力（或內力）是否超過材料的極限強度，因此是一個應力問題。極限強度的取值取決于材料的特性，對鋼材則常取它的屈服點。穩定問題則與強度問題不同，它主要是找出外荷載與結構內部抵抗力間的不穩定平衡狀態，即變形開始急劇增長的狀態，因此，它是一個變形問題。

2.2 鋼結構失穩的分類。

鋼結構的失穩是多種多樣的，按其平衡狀態，可以分為以下三類：（1）第一類穩定問題或平衡分岔失穩。完善的軸心受壓構件和完善的在中面內受壓的平板的失穩、理想的受彎構件及受壓的圓柱殼等的失穩都屬于這一類（2）第二類穩定問題或極值點失穩。非理想軸壓或壓彎構件塑性發展到一定程度時發生失穩，屬于這一類。（3）躍越失穩是一種不同于以上兩種類型，它既無分支點，又無極值點，它是在喪失穩定平衡之后跳躍到另一個穩定平衡狀態。區分結構失穩類型的性質十分重要，這樣才有可能正確估量結構的穩定承載力。實際上這些失穩情況并不是完全獨立的，在形式上具有多樣化特點。因此，我們要真正掌握各種構件的性能，就必須了解缺陷對它的影響。另一方面就是深入對構件屈曲后性能的研究。

2.3 鋼結構設計的原則。

保證結構及其構件的穩定，是鋼結構設計的重要內容，在實際設計中處理穩定問題時應遵循以下三個原則：

（1）結構計算簡圖和實用計算方法（包括規范給出的方法）所依據的簡圖相一致

當前在設計鋼框架時，并不去計算框架本身的穩定性，而是用計算柱子的穩定性來代替，這只是一種簡化方法，這種簡化只是在符合一定條件時才是精確的，設計者在應用規范時，應該細心謹慎，首先應在考察結構整體性的基礎上，再來運用此法。

（2）結構穩定計算和結構布置方案相結合

這個問題是確定桁架、塔架等得桿件處平面穩定時應注意的。問題的核心是結構布置方案是否確實能夠對桁架節點提供平面外位移約束。

（3）結構穩定計算和構造設計相符合

結構計算和構造設計相符合，一直是結構設計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節點應盡量減少桿件偏心這些都是設計者處理構造細部時經常考慮到的。但是，當涉及穩定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。這三個原則說起來很簡單，但是在結構設計中違反這三點很容易發生，因此需要加強理解。

2.4 鋼結構穩定問題的分析方法。

穩定問題的分析方都是針對著外在荷載作用下結構存在變形的條件下進行的，此變形應該與所研究結構或構件失穩時出現的變形相對應。穩定問題的分析方法有以下三種：

（1）平衡法

平衡法是求解結構穩定極限荷載的最基本的方法。對于有平衡分岔點的彈性穩定問題，在分岔點存在兩個極為鄰近的平衡狀態，一個是原結構的平衡狀態，一個是已經有了微小變形的結構的平衡狀態。平衡法只能得到臨界荷載，不能判別結構平衡狀態的穩定性。

（2）能量法

如果結構承受著保守力，可以根據有了變形的結構的受力條件建立總得勢能，總的勢能是結構的應變能和外力勢能兩項之和。能量法一般只能獲得屈曲荷載的近似解，此方法用于大撓度理論分析，可以判斷屈曲后的平衡是否穩定。

（3）動力法

處于平衡狀態的結構體系，施加微小干擾使其發生振動，當荷載小于穩定的極限值時，干擾撤去以后，運動趨于靜止，結構的平衡狀態是穩定的；當荷載大于極限值時，即使將干擾撤去，運動仍是發散的，因此結構的平衡狀態是不穩定的；臨界狀態的荷載即為屈曲荷載，由結構振動頻率為零的條件即可解得。此方法屬于結構動力穩定問題。

3. 鋼結構穩定性研究中存在的問題

3.1 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）目前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，主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應。

（2）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，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。

（3）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。

（4）鋼結構體系的穩定性研究中存在許多隨機因素的影響，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。

3.2 實際結構由于存在各種各樣的隨機缺陷的影響，與理想結構存在差異。對于缺陷敏感性結構，缺陷可能會造成結構穩定性的急劇下降，所以有必要考慮隨機參數的影響，引入可靠度分析方法，進行穩定問題的可靠性研究。

3.3 從上面可以看出，在設計中我們應該先影響弄清楚這些隨機因素的來源，一般情況下把影響鋼結構體系穩定性的不確定因素分為三類：

（1）物理、幾何不確定性：如材料（彈性模量，屈服應力，泊松比等）、桿件尺寸、截面積、殘余應力、初始變形等。

（2）統計的不確定性：在統計與穩定性有關的物理量和幾何量時，總是根據有限樣本來選擇概率密度分布函數，因此帶來一定的經驗性。

（3）模型的不確定性：為了對結構進行分析，所提的假設、數學模型、邊界條件以及目前技術水平難以在計算中反映的種種因素，所導致的理論值與實際承載力的差異，都歸結為模型的不確定性。以上三類都是鋼結構穩定設計中存在的缺陷，只有我們更進一步地深入研究這些不確定因素，鋼結構穩定理論和鋼結構設計應用上才會更進一步完善。

4. 結束語

防止失穩是鋼結構設計的重要任務。設計規范中有關構件計算的條款大多和穩定問題有關，但是僅僅遵守這些條款并不能夠保證結構不致失穩，因為規范只涉及最基本的問題，覆蓋面不夠廣，在實際設計中我們設計人員應該明確知道結構構件的穩定性能，樹立正確而完整的穩定分析和穩定設計的概念，以免在設計過程中發生不必要的失穩損失。