建筑工程鋼結構穩定性設計研究

李紅英

（甘肅省建材科研設計院有限責任公司，甘肅蘭州 730020）

0 引言

在經濟發展的推動下，人們對住宅的要求越來越嚴格，建筑施工技術也正在穩步提升，確保滿足人們對住宅的舒適性需求。就目前的情況看，鋼結構應用較廣，主要是因為其自重輕、抗震性能好、施工速度快的顯著特征，同時采用鋼結構，空間的利用率可以顯著提升，有效控制工程施工成本。在這樣的背景下，鋼結構穩定性的研究越來越多，提高穩定性設計也是推動施工技術進步的重要保障。

1 鋼結構穩定性設計的重要性

在鋼結構設計中，對于結構穩定性需要有一個清晰的認知，穩定性主要是指在外界擾動的影響下原始結構能否恢復如初的良好性能。房屋建筑事關人民生命財產的安全性，并且生命周期較長，在結構設計使用年限內還有可能遭受地震等災害的考驗，所以鋼結構的穩定性是非常重要的。鋼結構在應用中，很容易受到本身因素或者是外界環境的影響，導致穩定性降低，因此，在進行穩定性設計時，既要考慮自身因素，又要將其他外界干擾因素考慮進去，只有這樣，才能徹底消除安全隱患。

2 鋼結構穩定性的影響因素

首先，在鋼結構設計過程中可以發現，結構穩定性存在較多的影響因素，比如材料的力學性能、幾何變形、截面特征和初始變形等，對鋼結構穩定性具有一定的影響。其次，根據設計經驗和目前穩定性的研究成果可以得出結論，在穩定性設計中，支撐體系以及耦合效應也是影響結構穩定性的關鍵。通常情況下，針對一些跨度較大的結構，穩定安全系數并不能真實反映出結構的受力情況，存在一定的片面性，并且在預張拉結構的相關設計理論還沒有完全確定的前提下，無論是整體穩定性還是局部穩定性都存在明顯的相互作用關系，這是鋼結構穩定性研究需要考慮的問題。

3 鋼結構穩定性設計需要遵循的原則

首先，在鋼結構穩定性設計中，應合理選擇鋼結構體系。其次，鋼結構布置要掌握科學的方法，滿足整體結構穩定性的基本要求，做到豎向和水平荷載傳遞途徑。再次，鋼結構設計中，盡可能增加結構整體穩定性和構件穩定性，結構應具有冗余度，避免因部分結構或構件破壞導致整個結構體系喪失承載能力。最后，施工過程中，對主體結構的受力和變形影響較大的施工環節應進行施工階段驗算并進行專項研究，避免構件在施工過程產生撓度變形。

4 鋼結構失穩類型

鋼結構失穩可能是由多種因素引起的，失穩現象也是多種多樣的，如果從失穩性質角度進行分析，結構失穩類型可以歸納為以下三類。

4.1 平衡分岔失穩

平衡分岔失穩也叫分支點失穩，軸心受壓構件受壓屈曲以及受彎構件屈曲均屬于這一類。平衡分岔失穩又分為穩定分岔失穩和不穩定分岔失穩。①穩定分岔失穩，當處于臨界狀態時，直桿會逐漸出現微彎的趨勢，在此之后，形變將會進一步加劇；②不穩定分岔失穩。這種失穩情況主要表現為當結構屈曲后，平衡位形才能得到較好的維持。平衡分岔失穩見圖1。

4.2 極值點的失穩

在鋼結構失穩問題中，極值點失穩也稱無平衡分岔穩定問題。極值點失穩是指鋼結構的偏心受壓構件在荷載開始作用時保持彎曲形式平衡直到臨界狀態終止。極值點失穩的現象是比較常見的，例如一些軸壓構件由于初曲折或初偏疼等問題而呈現失穩狀況。

圖1 鋼結構平面內失穩特征

4.3 躍越失穩

除以上兩種失穩外，跨越失穩也屬于常見的失穩類型，它既無平衡分岔點也無極值點，是一種跳躍式失穩。如圖2 所示，結構構件受到某種作用力的影響，會產生撓度w，這種撓度會導致發生形變[2]。這種失穩狀態在業界被稱為跨越失穩，跨越失穩具有顯著特征，既沒有分岔點，同時極值點也不存在，在平衡喪失之后，可以最快速度實現狀態跳轉。一般網殼結構的失穩屬于跨越失穩。

圖2 鋼結構跨越失穩

5 鋼結構穩定計算方法

現階段，關于鋼結構穩定問題都是圍繞外荷載作用展開的，結構穩定計算方法可以總結為以下兩種。

5.1 動力法

動力法也叫能量守恒法。在實際操作中，施加微小作用力就可以對其造成干擾，讓結構發生振動，此時的變形和振動是與結構荷載有關的[3]。通過研究表明，當荷載值從某種意義上來說小于極限值時，加速度和變形兩者的方向是不一致的，基于這樣的前提，等干擾消失后，運動的狀態會逐漸趨于靜止，并始終保持平穩的狀態，可以從這一層面表明，結構始終處于平衡狀態，并相對穩定。當荷載大于極限值就會出現相反的情況，加速度的方向將會與變形方向保持一致，當處于這種狀態下，即使干擾撤去，也不會影響運動到持續發散，因此，此時的平衡狀態相對不平穩，結構不穩定性增大。

5.2 平衡法

除了上述方法外，平衡法也是比較常見的，可以細分為中性平衡法，在實際應用中優勢比較明顯，是最基本的求解方法，具有一定的針對性，可以有效解決彈性穩定問題（平衡分岔點），通常情況下，在分岔點附近會有兩個平衡狀態存在，通過建立平衡方程，最終得到理論數值。如果方程最終的解不止一個，就要選擇方程的解的最小數值，將其作為分岔屈曲荷載。

6 提高鋼結構穩定性的措施

6.1 增加結構冗余度

在鋼結構穩定性的相關設計工作中，需要掌握鋼結構的整體框架理論，在此基礎上通過科學的穩定性計算，對建筑結構進行優化和加強：①增設柱間支撐、屋面支撐，以提高結構整體穩定性；②增強節點連接，做到強節點、弱構件；③在依靠計算軟件的同時注重概念設計，必要時根據現行相關規范進行性能化設計；④合理選擇結構體系，做到布局合理，避免結構剛度突變。

6.2 優化設計，建立完善的預張拉結構理論體系

關于穩定性的加固設計可以從多方面入手，例如：結構計算圖形優化、減輕結構構件自重等，確保建筑施工的安全性以及建筑工程結構的穩定性。其中鋼結構優化設計屬于一種比較常見的手段，主要是借助荷載分布的基本情況和邊界條件等，實現對建筑結構的優化設計。在鋼結構穩定型設計中，充分考慮預張拉力結構特點，嚴格按照預張拉結構理論體系進行設計，加強對鋼結構安全系數的測試，確保建筑鋼結構符合穩定性設計標準。

6.3 結構整體穩定和構件的局部穩定

建筑工程中鋼結構設計的穩定性問題逐漸呈現出來，為了提升結構穩定性，相關結構設計人員要正確的理解穩定性設計方法，掌握穩定性設計的關鍵技術，重視建筑整體與局部穩定性之間的關系，加強對不確定性因素的控制，完成穩定性設計后，做好相關性、力學性能試驗，降低不確定因素對鋼結構穩定性的影響，嚴格按照設計目標要求開展設計活動，進而從根本上實現結構穩定性的提升。

7 結語

鋼結構穩定性問題較為復雜，就目前情況看，在穩定性設計中，需要考慮多種因素，鋼結構自身的穩定性存在許多干擾因素，這給穩定性設計增加了困難，因此，需要結構工程師對影響穩定性的因素以及設計原則深入分析，結合結構失穩的各種情況，對失穩問題進行規避，克服設計缺陷，提升設計質量。