建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点分析

纪洪波

【摘 要】随着经济的快速发展，钢结构在工程中的应用越来越广泛。在很多钢结构建筑中，普遍存在钢结构稳定性差的问题，这不仅会使建筑工程存在巨大的安全隐患，还会造成重大的经济损失和人员伤亡，所以，钢结构的稳定性设计在建筑工程中是非常重要的。

【关键词】建筑工程；钢结构设计；稳定性；设计要点

一、钢结构设计的原则

根据稳定问题在实际设计中的特点提出了以下三项原则并具体阐明了这些原则，以更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定。

（1）结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。

（2）结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。目前任设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。

（3）设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。

二、钢结构稳定性设计的特点

根据钢结构整体稳定性的要求来看，对于其稳定性设计的特点可以分为整体刚度和失稳效应、稳定性分析的整体性、稳定性计算的其他特点等。刚度和失稳效应上根据现在实行的规范，轴心压杆的稳定计算法是通过临界压力求解与折减系数法来实现的：由于杆件能够保持稳定性是结构整体的性能和承载力综合决定的。杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体，因此钢结构稳定性分析和计算必须从整体进行考量。

三、钢结构稳定性设计中存在的问题

钢结构稳定性问题是指在受到外界扰动的情况下能否恢复到初始状态的性能，在钢结构的使用中，其稳定性会受到其本身或者外界各方面因素的影响，具有一定的随机性，因此，对于钢结构稳定性设计不仅仅要考虑到自身影响因素，还要顾及到外界影响造成的不良后果，才能从根本上阻止各种隐患的发生。

（1）钢结构稳定性受到其构件承载强度的影响，其中也包括构件材料的应力、截面特征等，都对钢结构稳定性产生影响。整体结构的支撑力与抗扭力性能也十分重要，包括在设计建模设计为了对结构进行分析所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力出现的差异。都是影响钢结构稳定性的重要因素，这些在稳定性设计时都是必须考虑的。

（2）目前钢结构稳定性设计中存在的问题是大跨度结构设计中如何反映轴力和弯矩的耦合效应。一般情况下，大跨度结构设计中取一个稳定安全系数，不一定能真实的反应网壳结构的受力状态，因此，预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善的状况下，整体与局部的稳定性之间的相互作用关系也是值得研究的问题。

（3）对于钢结构来说其稳定理论也不是十分完善，而通常人们在设计中时却是从完善的角度思考，很多随即因素并没有考虑进去，就去对其稳定性造成严重的影响。在实际工程施工中，因为大部分局限于结构参数的不确定性，就会引起结构响应的显著差异，所以，钢结构稳定性设计应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。

四、建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点

（一）建筑工程中钢结构稳定设计的特点

建筑工程中钢结构稳定设计的特点主要表现为：第一，钢结构的多样性。建筑工程中钢结构设计方面的问题直接影响着钢结构的稳定性，特别是承荷载力大的钢结构部位，在进行这类钢结构部位设计时必须进行多方面的考虑，并对钢结构的稳定性进行认真分析、探究。第二，钢结构的整体性。钢结构建筑是由多种构件共同组成的一个整体，任何一个构件所具有的作用都是不容忽视的，若是当任意一个构件出现问题，例如失稳、变形等情况，那么必定会对其他构件造成影响，最终导致钢结构整体稳定性出现问题。

（二）钢结构稳定性的计算方法

（1）整体刚度计算。在现行的钢结构计算规范中，通用的计算方法是轴心压杆稳定计算方法，其主要采用是折减系数方法和临界压力求解法。（2）整体稳定性分析。钢结构建筑是由多种构件共同组成的一个整体，其整体稳定性受各种构件的制约较大，各构件之间是否具有良好的稳定性，是确保钢结构整体稳定性的前提基础。所以，应对其整体稳定性进行分析。（3）其他特点的稳定计算。钢结构的各种组成构件又能分为两大类，为弹性构件和柔性构件，因而，在进行钢结构稳定性时应重视这一特点。由于柔性构件容易发生变形，进而导致钢结构内部也发生变化，最终对钢结构整体稳定性产生严重的影响，所以，必须重视柔性构件的分析。

（三）钢结构稳定性的分析方法

（1）静力法。静力法的分析原理是结合已经出现了微小变形后的一些结构受力的条件，并根据这些条件来建立相对平衡的微分方程。通过建立的微分方程仔细的计算出构件受力的临界相关荷载。在实际中应用静力法构件平衡微分方程时，应遵循相关设定，具体表现为：直杆构件应该为截面，其压力应始终遵循之前的轴线进行作用。（2）动力法。当钢结构的结构体系处于平衡状态下时，若是受到一定的干扰，那么整个结构体系就会产生振动，这时应采用动力法对钢结构的稳定性进行分析。钢结构整体稳定性与其所承受的荷载有着密切关联，在钢结构出现变形以及钢结构振动加速时，这种联系更加紧密。若是钢结构所承受的荷载值低于钢结构自身稳定性的极限荷载值时，会出现加速度和之前的钢结构变形的具体方向相反的状况。（3）能量法。若是在实际应用中钢结构载着保守力并且已经具备结构变形的相关受力条件，那么就能以此条件构建总体势能。

五、稳定性设计需要注意的问题

（1）结构计算简图和实用计算方法所参考的简图应该保持一致性。当遇到其计算的对象与实用的方法简图有相应出入时，应该结合其所对应的简图差异結果来进行把握，从而防止工程设计中存在隐患。

（2）确保钢结构的稳定计算与结构的布置方案保持符合。对于这个问题主要能够确定桁架以及塔架等的杆件，要重视其在钢结构出平面的稳定性。目前大多数结构是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。

（3）钢结构的稳定计算和构造设计相符合。构造和计算相符合一直是设计者所关注的问题。然而一旦牵涉到钢结构稳定性能时，都需要考虑强度或其他不同的特殊考虑。应该分别给予它们较强的刚度以及柔度，最大限度的降低桁架节点的杆件偏心度，以上均是设计者在设计的过程中需要处理的相关问题。

结语

清楚地理解并掌握钢构件整体稳定和局部稳定的概念，对于工程设计人员合理有效地解决钢结构工程中所出现的实际问题，对钢结构构件设计过程中稳定性计算公式的理解与正确运用具有重要的概念基础。只有深入了解这些问题，才会使得钢结构稳定性设计不断改进与完善。

参考文献：

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