淺談鋼結構穩(wěn)定性設計

吳海波 劉海靜 王劍鋒

（1.內蒙古華地方圓設計研究有限責任公司 內蒙古赤峰市 024000 2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300300）

1 鋼結構設計的原則

對于鋼結構穩(wěn)定設計的原則，首先需要對平面結構構件的穩(wěn)定進行考慮，并且與相關的結構布置狀態(tài)相同，鋼結構布置一定要對整體體系進行考慮，并且充分考慮每一個組成部分之間的穩(wěn)定性，從當前的角度進行分析，鋼結構很多情況下是依照平面設計體系來進行的，比如說框架和桁架，確保這些平面結構不產生平面失穩(wěn)的情況，需要從結構整體方面進行合理分析和布置，比如說讓必要的支撐構架增加等，另外，結構計算簡圖一定要根據使用來進行合理劃分，如果涉及多層或單層框架結構的過程中，一般情況下不對框架穩(wěn)定分析進行計算，而只計算框架柱的穩(wěn)定性，通過這種方法對框架柱穩(wěn)定的過程中需要使用的強度系數(shù)進行計算。利用這種框架穩(wěn)定性來對穩(wěn)定計算進行分析。

2 鋼結構穩(wěn)定性的計算方法

2.1 靜力法

靜力法在對結構穩(wěn)定極限載荷進行求解的過程中是最為基本的方法之一，依照發(fā)生的微小形變情況對結構受力條件進行分析，并且將平衡微分方程建立出來，然后把臨界載荷解出來，在對平衡微分方程進行建立的過程中，需要根據以下基本假定：①構建是一個等截面直桿；②確保壓力與構建原來周線的作用始終相關；③材料需一定要和胡克定理相符合，也就是應力和應變是具有一定性關系的；④構建需要達到平截面假定的要求，也就是構件變形前的平截面和變形后依舊處于同一平截面狀態(tài)；⑤構建的彎曲形變情況是微小的區(qū)別，可以通過橈度函數(shù)的二階導數(shù)進行表示。

2.2 能量法

如果鋼結構承載的保守力，在實際應用過程中與具體的形變結構受力條件來進行結合，把總體的勢能體現(xiàn)出來，另外如果鋼結構處于一種平衡的狀態(tài)，一定要對總體勢能進行計算，然后與勢能駐值的原理進行結合，把總體勢能從一階變成零，通過這種方法來進行平衡方程的計算，然后與平衡方程進行結合，把分岔屈曲荷載計算出來。

2.3 動力法

動力法是一種結構動力穩(wěn)定的計算方法，如果通過微小的干擾就能讓其發(fā)生震動，說明這個結構的振動加速度和變形情況已經在結構的載荷方面體現(xiàn)出來，如果在靜穩(wěn)定的極限載荷值相比是比較小的，那么變形和加速度的方向是相反的，所以把整個干擾去除掉之后，運動就會逐漸變成靜止狀態(tài)，結構的平衡狀態(tài)是處于一種穩(wěn)定狀態(tài)的，如果載荷與穩(wěn)定的極限載荷相比變大，那么變形和加速度的方向是相同的，也就是如果把干擾去掉，運動依然是處于發(fā)散的狀態(tài)，所以結構的平衡狀態(tài)是處于一種不穩(wěn)定條件下的，臨界狀態(tài)的載荷也就是整個結構的屈曲荷載。可以根據結構振動頻率為零的條件進行分析和研究。

3 鋼結構穩(wěn)定性具體設計

3.1 工程概況

整個工程處在高濃度磷酸罐區(qū)的鋼結構當中，整個結構的高度達到了17m，為了符合工藝的具體要求，軸距縱向的長度為19.5m，橫向的長度為3m，工程主要通過q235b鋼材，焊條一般通過E43型，柱和獨立基礎通過剛性方式進行連接，構架柱間支撐通過梯形鋼水平進行支撐，本工程的希望能夠達到50年的設計使用年限，建筑結構的安全等級達到了二級。

3.2 荷載取值

表1 工程主要荷載表

3.3 設計計算

整個工程需要對把梁、柱當成一個整體來進行計算，把水平推力傳過來的過程中，出現(xiàn)一定的水平位移，反過來助利用自身形變將大部分力釋放出來，讓內力處于一個平衡的狀態(tài)，只要鋼梁具有一定的高度，在柱子不是太大的情況下，同樣可以達到變形和強度的具體要求，結構分析的過程中通過STS模型進行建模，并利用Satwe軟件來對穩(wěn)定和強度、自振周期以及節(jié)點強度的變化進行合理的計算，首先需要注意的兩點在于：①整個結構的跨度非常的大，依照工藝要求需要設計比較大的洞口，并且需要對較大的扭矩進行承受，搭建的過程中，一定要通過讓梁的截面寬度增大，讓縱向力增大，并且讓洞口附近的支撐數(shù)量增加的方法，逐步讓平面處于一種內穩(wěn)定的狀態(tài)；②需要注意對雙向結構進行考慮，因此柱子計算長度系數(shù)一定要根據相關的規(guī)范來進行計算。

3.4 結果分析

依照以前的自振周期表和結構進行來進行分析，結構水平方向上的陣型不會出現(xiàn)明顯的突變，結構在高度方向上的剛度和質量分布情況也相對比較合理，下面是驗算結果，具體情況見表2。

表2 結構整體穩(wěn)定驗算結果

通過相關的計算分析，發(fā)現(xiàn)每一個梁、柱應力范圍都在允許范圍的極限的90%以下，整個結構的穩(wěn)定性高度，強度相對比較好，每一個節(jié)點也能達到具體的規(guī)范要求。

4 結束語

鋼結構由于具有強度高，自重輕，工業(yè)化程度比較高等諸多優(yōu)點，在工程應用的過程中使用范圍非常廣，但是鋼結構也會出現(xiàn)失穩(wěn)的情況，鋼結構穩(wěn)定性在計算的過程中非常復雜，特別是在構建出現(xiàn)一定的殘余應力、缺陷和非線性因素的影響條件下，讓解決問題的困難進一步提高，然后我們一定要注意讓結構的穩(wěn)定整體穩(wěn)定性進行加強，確保局部穩(wěn)定和平面外穩(wěn)定的設計的優(yōu)越性。

[1]楊耀森，呂輝，白寶生.鋼結構穩(wěn)定設計中相關問題探討[J].當代化工，2015（6）：1353～1356.