淺談鋼結構穩定性設計

【摘要】穩定問題一直是鋼結構設計的關鍵問題之一，隨著我國經濟的飛速發展，鋼結構體系的廣泛應用凸顯了穩定問題研究的重要性和緊迫性。本文通過對鋼結構穩定性的定義、原理、設計方法三個方面闡述了我對鋼結構穩定性的體會。

【關鍵詞】鋼結構；穩定性

鋼結構以其特有的結構特征及受力性能得到了越來越廣泛的應用，但是一旦出現失穩事故，不但對經濟造成嚴重的損失，而且會造成人員的傷亡，因此穩定問題是鋼結構設計中目前需要解決的首要問題。

1、鋼結構穩定設計的原則

1.1結構整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩定性要求。

目前結構大多數是按照平面體系來設計的，需要從結構整體布置來保證這些平面結構不出現平面失穩，亦即設計必要的支撐構件。例如，大跨度管架，一般需要做成桁架型式，而用PKPM進行桁架設計時，一般只拿出一榀來進行平面內構件的強度和穩定計算，桁架平面外穩定則需要通過在上下旋分別設橫梁及水平支撐來保證。

1.2結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖相一致。

這對框架結構的穩定計算十分重要。目前設計單層和多層框架結構時，經常不作框架穩定分折而是代之以框架柱的穩定計算。采用這種方法時，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，才能使柱穩定計算等效于框架穩定計算。

2、鋼結構穩定性的計算方法

2.1靜力法

靜力法是求解結構穩定極限荷載的最基本的方法。根據已發生了微小變形后結構的受力條件建立平衡微分方程，然后解出臨界荷載。在建立平衡微分方程時遵循如下基本假定：

（1）構件是等截面直桿。

（2）壓力始終沿構件原來軸線作用。

（3）材料符合胡克定律，即應力與應變成線性關系。

（4）構件符合平截面假定，即構件變形前的平截面在變形后仍為平截面。

（5）構件的彎曲變形是微小的，曲率可以近似地用撓度函數的二階導數表示。

即可解得兩端鉸支的軸壓構件的臨界荷載。

2.2能量法

能量法是求解穩定承載力的一種近似方法，通過能量守恒原理和勢能駐值原理求解臨界荷載。

（1）能量守恒原理求解臨界荷載。保守體系處在平衡狀態時，貯存在結構體系中的應變能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其臨界狀態的能量關系為：

△U=△W

式中△U一指應變能的增量；

△W一指外力功的增量。

由能量守恒原理可建立平衡微分方程。

（2）勢能駐值原理求解臨界荷載。勢能駐值原理指：受外力作用的結構，當位移有微小變化而總勢能不變，即總勢能有駐值時，結構處于平衡狀態。表達式為：

式中 — 指虛位移引起的結構內應變能的變化，它總是正值；

一指外力在虛位移上作的功。

根據小變形理論，能量法一般只能獲得屈曲荷載的近似解；但是，如果事先能夠了解屈曲后的變形形式，采用此變形形式作計算可以得到精確解。當總勢能具有最小值時，它的二階微分是正值，平衡狀態是穩定的。這就是說，用總勢能駐值原理可以求解屈曲荷載，而用總勢能最小原理可以判斷屈曲后平衡的穩定性。

2.3動力法

動力法屬于結構動力穩定問題。處于平衡狀態的結構體系，如果施加微小干擾使其發生振動，這時結構的變形和振動加速度都和已經作用在結構上的荷載有關。當荷載小于穩定的極限荷載值時，加速度和變形的方向相反，因此干擾撤去后，運動趨于靜止，結構的平衡狀態是穩定的；當荷載大于穩定的極限荷載值時，加速度和變形的方向相同，即使撤去干擾，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結構的屈曲荷載，可由結構的振動頻率為零的條件解得。

3、工程實例

3.1工程背景

該工程是位于的一個高濃度磷酸罐區的鋼框架。本結構設在多個磷酸罐之上，高度為17m，為滿足工藝的要求，柱距縱向為19.5m，橫向為3m；根據我國現行《抗震設計規范》和《鋼結構設計規范》要求.鋼結構框架結構應遵循強柱弱梁，強節點弱構件的一般設計原則。本工程主要采用Q235B鋼材，焊條采用E43型，框架梁為HN800x300x14x26型鋼，次梁主要采用HW300x300，HW250x250，HN250X125，框架柱主要采用HM588x300x12x20。柱與獨立基礎剛性連接；框架柱間支撐采用T型鋼支撐TM125x175x7x11，水平支撐為L125X8。

本工程設計使用年限為50年，建筑結構的安全等級為二級.抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第二組.抗震設防類別為丙類，場地類別為三類。

3.2荷載取值

（1）主要荷載：

（2）風荷載選取： 0.35kN/ ?；基本雪壓選取： 0.20kN/ 。

（3）計算時特別注意，把攪拌槳所產生彎矩和扭矩，彎矩以相反豎向力加在節點，扭矩以最小支座邊長以水平力形式加到受力點，并且需要考慮荷載的動力系數（這里取了1.4的系數）。

3.3設計分析計算

（1）荷載工況。按《建筑結構荷載規范》規定，該工程應考慮X方向地震力作用，Y方向地震力作用，X方向風力作用，Y方向風力作用，恒載作用，活載作用下的標準內力。

（2）計算方法。可以將梁柱作為整體計算，梁傳來的水平推力使柱頂發生水平位移，反過來柱通過自身變形釋放了大部分剪力，（下轉79頁）（上接77頁）內力達到平衡。只要鋼梁具備足夠的剛度，不設太大的柱子同樣滿足了強度與變形要求。可見整體算法具有明顯的優越性。結構分析采用了STS空間建模，并用Satwe軟件完成框架桿件的強度和穩定、自振周期和節點強度等計算。其中需要特別注意的一下兩點：①該結構跨度大，又根據工藝要求需要開較大洞口，并且承受較大的彎矩和扭矩，所以洞口周邊支撐設備的鋼梁采取增大梁的截面寬度和增加縱向加勁肋并且增加洞口周邊支撐數量，形成平面內穩定；②結構考慮為雙向有側移，所以柱子計算長度系數需要按照《鋼結構設計規范》中附錄D，按有側移框架柱計算長度系數，再帶入計算。

3.4結果分析

先根據經驗假設構件斷面尺寸進行試算，然后調整應力比過大和過小的斷面再試算；利用計算機軟件可以將此過程快速反復多次，最終得到大多數構件應力比都接。根據以往的結構振型與自振周期表來看，結構水平方向的主要振型無明顯突變，結構沿高度方向的質量和剛度分布也比較合理，得出以下驗算結果：見表2

表2 結構整體穩定驗算結果

計算結果：構件的強度、剛度、穩定性。計算分析表明，各種梁、柱設計應力均控制在規范允許設計限值的90% ，結構構件的強度、剛度、穩定性好。各類節點驗算也符合規范的要求。

結語：

隨著鋼結構的不斷發展，設計人員在鋼結構穩定計算時，需根據結構的特點以及工程需要選擇合適的計算方法，更加準確的計算和把握結構體系的穩定狀態，克服結構中的設計缺陷，最大程度地減少鋼結構失穩的工程事故，不斷完善鋼結構穩定設計，從而使得鋼結構可以得到更好的發展。