浅析钢结构稳定性设计

刘立辉

（军事科学院院务部营房部工程师，北京 100091）

由于钢结构设计过程中所存在的缺陷，因此，导致钢结构出现失稳，使人的生命和财产安全受到威胁。目前，随着高层建筑量的增加，作为钢结构工程设计的重要内容之一，越来越多的设计者对钢结构稳定性的考虑将更为突出。例如：在1907年期间，位于加拿大的一座大桥在施工过程中由于受到悬臂受压下弦失稳，导致9000t的钢结构全部掉入河中，造成75人遇难。由此可以得知，造成钢结构失稳的主要原因是因为其钢结构稳定性设计的不合理而造成，为了能够避免事故的发生，合理进行稳定性设计是关键。

1 钢结构失稳的种类

1.1 分支点失稳

钢结构轴心受压构件在完好的情况下，当端部受到荷载压力时，所承受的压力小于等于某一限值，依然保持稳定平衡状况，那么钢结构构件截面承受着均匀的压应力，即使沿轴线所产生的状况也只是压缩变形。相反，如果当端部受到荷载压力时，所承受的压力大于限值，钢结构构件将发生弯曲变化，那么就会导致原有的轴心受压平衡形式发生改变，从而分支点失稳。如图1所示，当荷载增加时，钢结构平衡出现改变的同时，还出现新的平衡形式造成失稳。

图1 分支点失稳（ABO为荷载侧移曲线）

1.2 极值点和跳跃失稳

该失稳主要是由于塑性扩展到一定程度时，钢材做成的偏心受压构件失去了稳定性能力，从而导致平衡形式发生改变出现失稳。与分支点和极值点失稳不同，跳跃失稳主要是当钢结构构件状态失去稳定性平衡后，跳跃至其他稳定性平衡状态。如图2所示，在荷载q下，荷载曲线OA成稳定上升阶段，一旦曲线达到最高点A，就会自动跳跃到C点，拱结构下垂，由于AB曲线不稳定，而BC曲线处于稳定上升阶段，不存在分支点和极值点，因此，断定钢结构失稳。

图2 跳跃失稳

2 影响钢结构稳定性设计的主要因素

尽管钢结构稳定性设计处于不断完善的阶段，但是，在实际稳定性设计过程中，由于设计者忽略了钢结构材料自身所具有的缺陷，为了便于计算，在使用钢结构材料时，常作为弹性塑性材料进行分析，对其材料自身存在的残余应力、初偏心和弯曲等客观存在的缺陷被忽略，从而造成计算出现偏差，影响钢结构稳定性。除此之外，多随机性也是对钢结构稳定性设计造成影响的主要因素之一。在目前通过钢结构随机性影响因素所解决的问题，仅仅局限在结构参数和随机荷载的确定与输入范围内。在实际钢结构工程中，不确定性的结构参数使结构响应存在明显差异。因此，在实际钢结构稳定设计中，影响因素主要涉及物理几何和统计的不确定性、模型的不确定性。如材料、截面积无法在计算中反映出各种因素的不确定，这样一个理论与实际承载的差异，都归结与以上三种不确定性因素，因此，只有不断全面对这些不稳定因素进行深入探讨，才能进一步完善对钢结构稳定性的设计。

3 钢结构稳定性设计

3.1 钢结构稳定性设计的基本准则

首先，钢结构在安排的时候，必须要详细对整个钢结构体系和组成部分的稳定性要求进行考虑。由于目前许多钢结构的设计主要是以平面体系为主，因此，为了确保平面结构不会发生失稳状况，钢结构平面的整体安排是整个稳定性设计的关键。例如：在框架和桁架上增加支撑构建。同时，还要确保结构构件的稳定计算必须要与结构安排保持一致。

其次，钢结构需计算的简图必须要与实际钢结构计算方式所规定的简图相同。在进行单层、多层框架结构设计的过程中，要进行稳定性计算，以获取框架稳定的柱长度系数，并通过稳定性分析，确保柱稳定计算与框架稳定性计算想同。根据我国钢结构设计制定的相关规范假定中，我们得知，框架稳定参数和杆件稳定计算都是根据简化假设获得。例如：框架柱同时到达临界荷载、失稳。因此，设计者在进行钢结构稳定设计的时候必须满足基本规范假设才能使用。

最后，钢结构稳定性设计与钢结构稳定性计算必须保持一致。由于确保钢结构构造和构建稳定性计算的一致是设计中最为注重的问题，因此，传递或不传递弯矩节点的连接将分别增加其刚柔度，而桁架节点则以减少其杆件偏心为主。在考虑稳定性时，从不同强度的需求进行钢结构构造考虑。

3.2 钢结构稳定性计算

通过采用轴心压杆稳定计算的方式，对钢结构稳定性整体进行分析。该计算方式主要结合了临界压力求解和折减系数法。因此，根据公式：，其中，E为材料特性、I为截面特性、l为杆长度。通过公式，杆件在轴心压力下发生弯曲，造成刚度减弱，一旦压力临界值为NE时，那么杆件弯曲刚度就会为零。由于在实际的钢结构施工过程中杆件轴线不会以直线出现，一般都会存在较小的弯曲。如图3所示。

图3 钢结构中杆件轴线

通过图3我们得知，当杆件承受压力N时，压力N的加大将会导致挠度也会随之加大。假设初始的弯曲属于正弦曲线中的半个波，那么其坐标为：y0=v0sinπx/l，平衡公式则为：，计算得总挠度：，其中，N=NE时，Vm无穷大，这就表明，杆件刚度在临界载荷条件下，无法保持稳定性。在计算稳定性时，一定要确保构件实际承受力条件相同，如果不同则需要进行修正。

3.3 加固钢结构

在钢结构稳定性设计过程中，加固的方式有多种。如：对结构计算图形进行改变加固、减轻荷载、对加固固件连接等。

3.3.1 对结构计算图形进行改变加固钢结构

该加固方式主要是通过将荷载分布状况和边界条件、传力途径和节点性质进行改变，从而增加一些辅助杆件和支撑结构来实行加固。在结构计算图形中增加辅助杆件和支撑，不仅能够帮助结构增加空间结构，而且还能够帮助结构增强刚度、调整自振频率等，并通过验算使钢结构稳定性的承载力和动力获得提高。同时，还能够减少钢结构的长细比，使钢结构稳定性更强。例如：在排架结构中，可以通过增加柱的刚度，在减少柱负荷的条件下提高承受力，使结构更具稳定性。

3.3.2 减轻和改变荷载分布加固钢结构稳定性

通过改变受弯杆件的荷载，将单独一个集中端部支撑荷载承受，转变成为多个端部支撑荷载承受进行加固。例如：将铰接转变成为钢接，在支座中间单独连接结构转变成为连续连接结构，并对支座位置进行调整，同时可以将结构转变成为撑杆结构，并增加预应力拉杆施加预应力，在选取截面加固时，一定要注意截面形式必须要更具实际加固缺陷和损伤满足加固要求，才能使钢结构更为稳定。

3.3.3 加固固件连接

通过采用焊缝、普通或高强度螺栓，以及柳钉等方式将钢结构进行连接加固。在加固连接钢结构时，必须根据实际工程钢结构需要进行加固。例如：钢结构加固的原因和目的、钢结构实际受力情况和构造等进行分析后，才能确定固件连接方式。一般情况下，采用焊缝连接的过程中，注意要选用已被确认的焊接工艺与连接材料才能进行焊接加固，以确保钢结构稳定性。

综上所述，在钢结构稳定性设计中，作为主要的因素承载力决定着稳定性设计的关键，而钢结构稳定性设计完善，对我国可持续发展有着重要作用。由于钢结构稳定性受多种因素的影响，使稳定性设计的难度再次加大，因此，在结构稳定设计中，根据钢结构失稳的种类，全面考虑影响钢结构稳定性设计的主要因素条件下，克服以往稳定设计存在的缺陷，加固设计避免失稳造成巨大损失，使钢结构日后应用更为广泛。

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