鋼結構穩定性分析與優化設計

蔣全

摘 要：鋼結構的穩定性是工程設計中至關重要的一個方面。基于此，通過對鋼結構整體穩定性、局部穩定性以及優化設計原理的分析，以鋼框架設計為例，探討穩定性分析與優化設計的方法和實踐以及優化設計思路，從而提高鋼結構的安全性和經濟性。

關鍵詞：鋼框架；整體穩定性；局部穩定性；優化設計

中圖分類號：TU391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）11-0007-03

1 對鋼結構穩定性的認識

1.1 鋼結構穩定性的定義與重要性

鋼結構的穩定性是指鋼結構在受到外部荷載作用時，能夠保持結構整體的穩定狀態，不發生過度變形或破壞的能力[1]，它是評價鋼結構抗震、抗風等外力作用下的性能的重要指標。鋼框架是常見的鋼結構形式，其由鋼梁、鋼柱組成的空間鋼架結構，適用于多高層和大跨度的構建筑物。鋼結構在風荷載和地震作用下，要能承受其引起的水平力以及產生的變形和位移。

具體需要以下3點性能：一是抗震性能。穩定的鋼結構能夠有效地分散和承擔地震力，減小地震災害造成的破壞。二是抗風性能。穩定的鋼結構能夠承受風力引起的水平力，并通過合理的結構設計和加固措施，抵抗風壓和風振引起的變形和損壞，確保結構的安全性。三是建筑物整體的穩定性。鋼結構的穩定性直接影響建筑物的整體穩定性。鋼框架作為主體結構，其穩定性保證了建筑物在正常使用和荷載作用下的平穩運行，防止結構失穩、撓度過大等問題的發生[2]。

鋼結構的穩定性對于保證建筑物的安全性和使用壽命具有重要意義。通過合理的結構布置和構造措施，能夠確保鋼框架結構具備良好的穩定性能，提高建筑物的整體抗震和抗風能力。

1.2 現有鋼結構穩定性問題的分析

鋼結構穩定性問題是在設計和使用過程中需要重點考慮的一個關鍵問題，主要涉及結構在受力狀態下的穩定性能。鋼結構的穩定性受結構的幾何形狀、材料特性、受力狀態等因素的影響。例如，長、細、偏心和不規則形狀的結構，更容易出現穩定性問題。

不同國家和地區的設計規范，均對鋼結構的穩定性問題進行了詳細規定。這些規范一般包括極限穩定性要求、穩定性分析方法、穩定性設計公式等。例如，GB 50017—2017《鋼結構設計標準》對穩定性問題進行了嚴格規定，其中包括了關于整體穩定性、局部穩定性、穩定性分析方法等的內容。

鋼結構穩定性分析一般包括選擇合適的穩定性分析方法、建立結構模型、計算結構的穩定臨界荷載、分析結構的穩定性能力等。這些步驟需要結合具體的設計要求和規范進行。鋼結構穩定性問題的分析，需要綜合考慮結構的幾何形狀、材料特性和受力狀態等因素，遵循相應的設計規范進行穩定性分析和設計。這樣才能確保鋼結構的穩定性能，保證建筑結構的安全。

1.3 鋼結構穩定性分析與優化設計的需求

穩定性分析的目的是確定結構在受力狀態下的穩定性能力。在進行穩定性分析時，需要考慮結構的整體穩定性、局部穩定性和穩定臨界荷載等方面的要求。規范一般會提供相應的分析方法和驗算公式。優化設計旨在通過調整結構的幾何布置、材料選取和構造方式等，使結構在滿足設計要求的前提下具有更好的性能和經濟性。在優化設計過程中，常會涉及結構的穩定性問題，需要確保優化后的結構滿足規范中的穩定性要求。

規范在穩定性分析與優化設計中起到至關重要的作用。在進行穩定性分析時，需要遵循規范中的分析方法、公式和驗算要求，確保結構的穩定性能力滿足規范要求。在進行優化設計時，需要綜合考慮穩定性要求，選擇合適的形狀優化方案、材料選取和優化構造方式等，使其在滿足穩定性要求的前提下獲得更好的性能和經濟性。

2 鋼結構穩定性設計中存在的問題和改進方向

一是現有鋼結構的穩定性設計中存在一些簡化假設，如假定梁柱連接為剛接，但實際不能做到完全剛接。改進方向應計入梁柱交角變化的影響，如計算框架位移角時應適當考慮剛度折減。二是計算模型和實際受力不符。如在建模時在主梁跨中會增加次梁，次梁會把主梁打斷，軟件在主梁整體穩定性設計時會把主梁分成幾段來分析，相當于減小了主梁的平面外計算長度。改進方向是修改主梁平面外計算長度不考慮次梁對主梁的平面外約束，或是增加水平支撐，形成水平桁架則可以減小主梁的平面外計算長度。三是結構穩定性設計中未考慮二階效應和初始缺陷。改進方向采用直接分析方法，充分考慮初始缺陷、二階效應、材料彈塑性、節點半剛性等各種對結構剛度有影響的因素[3]。

3 鋼結構整體穩定性分析

規范對于鋼結構穩定性的設計要求有以下4點[4]：①鋼結構應進行合理的結構布置，具有明確的計算簡圖和合理的傳力途徑，對有抗震設防要求的構建筑物，應具有多道抗震防線。②結構構件和體系應具有良好的抵抗變形的能力和消耗地震作用的能力。③對結構可能出現的薄弱部位，應采取有效的加強措施。④結構穩定性驗算應符合以下規定：二階效應計算中，重力荷載應取設計值；高層鋼結構的二階效應系數θ≤0.2，多層鋼結構θ≤0.25。一階分析時，框架結構應根據抗側剛度，按照有側移屈曲或無側移屈曲的模式，確定框架柱的計算長度系數μ。二階分析時應考慮假想水平荷載Hni，框架柱的計算應取長度系數μ為1.0。假想水平荷載的方向與風荷載或地震作用的方向一致，其荷載分項系數應取1.0；風荷載參與組合的工況，組合系數應取1.0；地震作用參與組合的工況，組合系數應取0.5。

3.1 受壓構件穩定性分析

受壓構件的穩定性分析是評估其在受壓作用下的整體穩定性能。主要理論依據來源于歐拉穩定性理論，歐拉穩定性理論是受壓構件穩定性分析的基礎[5]。根據歐拉公式，可以計算得到受壓構件的臨界壓力或臨界載荷。歐拉穩定性理論適用于長、細、均勻截面的構件。工程中常見的受壓構件有柱子、支撐、系桿、綴條等。GB 50017—2017《鋼結構設計標準》7.2條對受壓構件整體穩定性計算做了詳細規定。

3.2 受彎構件穩定性分析

受彎構件的穩定性分析是評估其在彎曲作用下的整體穩定性能。針對受彎構件的穩定性分析，可以使用彎曲屈曲分析方法來計算其臨界彎矩或臨界載荷。常見的方法包括使用歐拉公式、曲率引起的屈曲剛度公式等。這些方法適用于簡單形狀和均勻截面的構件。工程中受彎構件主要是梁， GB 50017—2017《鋼結構設計標準》6.2條對其作了詳細規定。

3.3 局部穩定性分析

局部穩定性分析是針對鋼結構構件中的局部區域或連接部位進行的穩定性評估。常見的局部穩定性分析方法大概有以下3點：一是局部屈曲分析。局部屈曲是指構件部分區域受到壓力而發生屈曲失穩的行為。二是局部扭轉分析。局部扭轉是指構件的某一部分發生扭轉失穩的行為。局部扭轉可能發生在構件的焊縫、連接件或其他薄弱部位。三是局部剪切分析。局部剪切是指構件某一部分發生剪切失穩的行為。局部剪切可能發生在構件的剪力連接、板的剪切區域等處。工程中梁柱翼緣和腹板都存在局部失穩的可能，在設計中主要是通過限制翼緣寬厚比和腹板的高厚比來避免局部失穩。

4 鋼結構的優化設計方法

鋼結構穩定性優化設計旨在通過合理的結構設計和參數調整，提高結構的穩定性，使其在安全性、可靠性和經濟性方面得到最優化[6]。鋼結構穩定性分析相關的數據如表1所示。其基本原理包括以下4個方面。

4.1 結構合理性

通過合理的結構布局和幾何形態設計，充分發揮材料的優勢，使結構具有足夠的剛度和穩定性。可以考慮采用適當的跨度、柱網間距、設置支撐等設計參數，使結構具備良好的整體剛度和穩定性。

4.2 材料選擇與優化

選擇高強度和高性能的鋼材，使結構具備更好的抗彎剛度和穩定性。根據不同的應用場景和要求，優化選擇鋼材的等級、強度和耐久性，以使結構在穩定性能上達到最佳水平。

4.3 截面優化設計

在結構設計中，采用合適的截面形狀和尺寸，以最大限度地提高截面的抗彎剛度和穩定性。通過優化截面尺寸和形狀，使結構在垂直和橫向荷載作用下具備良好的穩定性能。

4.4 加強連接節點

連接節點在鋼結構中起著重要的作用，對結構的穩定性影響很大。可通過優化連接節點的設計和構造，提高連接的剛度和韌性，增強結構的穩定能力。可以采用適當的加強措施，如在梁柱連接時在翼緣增加蓋板、翼緣局部加寬等措施，提高節點的承載能力。

5 鋼結構穩定性優化設計案例

本項目為武安市某2 m ×126 m平燒結機煙氣脫硝項目。工程為脫硝反應器下部鋼框架，主要鋼框架尺寸17.4 m×17.4 m×26 m。抗震設防烈度7度，第二組，場地類別二類，基本風壓0.35 kN/m2，基本雪壓0.3 kN/m2。主要結構體系鋼框架中心支撐體系。主要荷載作用為GGH總質量662 t，支撐于7 m層，反應器質量662 t，支撐于26 m層，主要煙道質量178 t，支撐于21 m層。

本工程荷載重，跨度大，工藝布置復雜。結合穩定性原理，主要采取了中心支撐體系，增加結構側向剛度。采取無側移計算模型，減小柱子的計算長度，增強柱子整體穩定性。結構從有側移計算模型到無側移計算模型，柱子截面從7 m高優化到了5 m高。而對于26 m層支撐反應器的主梁最大跨度為17.4 m，總荷載有662 t，鋼梁做到2.5 m高也算不過。通過計算結果分析，主要是鋼梁的整體穩定性算不過，按照GB 50017—2017《鋼結構設計標準》6.6.2條對鋼梁整體穩定性影響最大的是穩定系數，因此通過設置水平桁架減小鋼梁平面外計算長度，從而可以增加鋼梁整體穩定性，最終此鋼梁只做1.5 m高。

通過以上措施，優化了鋼柱和鋼梁的截面尺寸，不僅取得了較好的經濟性，也增加了工藝布置空間。此項目的鋼框架結構剖面圖如圖1所示。

6 結束語

鋼結構穩定性的可靠性分析和優化設計，是確保結構安全性和可靠性的重要手段。本文主要結合鋼框架結構形式的實例進行了研究，介紹了結構和構件穩定性分析方法。通過優化設計的原理和案例分析，強調了合理的結構設計、材料選擇、截面優化以及連接節點的加強等，對于提高鋼結構穩定性的重要性。

通過研究可知，在鋼結構的設計和施工中，結合可靠性分析和優化設計的原理和方法，能夠更全面、準確地評估結構的穩定性能，并提供最佳的解決方案。這不僅保證了鋼結構的安全運行，還有利于優化設計和提高工程的經濟效益。

參考文獻

[1] 張成鑫.基于BIM的裝配式鋼結構高校學生公寓優化設計研究[D].濟南：山東建筑大學，2022.

[2] 張恒飛.基于BIM技術的裝配式鋼結構建筑全過程質量管理研究[D].鄭州：中原工學院，2022.

[3] 杜新喜，王若林，袁煥鑫.鋼結構設計[M].南京：東南大學出版社，2017.

[4] 唐紅元，陸躍文，楊利容，等.鋼結構基本原理[M].重慶：重慶大學出版社，2016.

[5] 陳紹蕃.鋼結構穩定設計指南[M]（第三版）.北京：中國建筑工業出版社，2013.

[6] 朱丙寅.鋼結構設計標準理解與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2020.