钢结构设计中稳定性分析

蒋君全

摘 要：稳定性是钢结构设计中的一个重要问题，它的稳定性会直接影响工程的质量和安全。在现代工程史上，有许多因为钢结构失稳而引发的事故，进而造成严重的经济损失和人员伤亡。所以，为了控制工程的质量和安全，预防工程事故的发生，加强钢结构设计中的稳定性是非常必要的。简要分析了钢结构设计中存在的问题，并提出相关建议。

关键词：钢结构设计；稳定性；构建性能；工程质量

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）21-0085-02

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。而钢结构稳定性差的问题是由多方面原因造成的，比如设计人员经验不足、对钢结构和构件性能的了解不充分和缺乏对钢结构工程中稳定性的专业认识等。

1 稳定性的设计原则

1.1 构件与细部构造稳定性计算方法一致

在钢结构设计中，要使构造设计与结构计算相匹配，以满足构件稳定性和设计结构细部构造的一致性。对传递弯矩和不传递弯矩的连接节点，应该分别给予足够的刚度和柔度；对桁架节点的设计也应尽量减少杆件偏心等，这些仅仅是设计构件细部构造。但是，当涉及到稳定性时，对细部构造就会有其他要求，比如简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求只是阻止位移和允许其在平面内转动，然而在处理梁整体的稳定性时，支座除了要满足上述要求外，还需要阻止梁绕纵轴扭转，允许梁在水平面内转动和梁端截面自动翘曲。

1.2 兼顾整体和组成部分稳定性的要求

目前，大部分钢结构设计都是以平面体系为出发点的，比如桁架设计和框架设计等。为了避免出现平面失稳问题，需要从钢结构的整体布局出发，设计有针对性的支撑构件，也就是说要使平面构件的结构布置与平面稳定计算保持一致。比如，在平面桁架组成的塔架中，要注意横隔设置和杆件之间的稳定性。

1.3 计算方法与结构简图一致

在设计单层和多层框架结构时，并不分析框架稳定性，而要计算框架柱的稳定性。采用这种方法计算框架柱稳定性时用到的计算长度系数，应该分析框架整体的稳定性，这样才能使最终框架稳定计算等效于柱稳定计算。此外，如果计算方法与结构简图不一致，就需要调整所使用的计算方法，以保证钢结构稳定性分析的要求。

2 设计特点与重要性

2.1 结构整体稳定性

在分析钢结构设计中的稳定性时，必须要从钢结构的整体出发，考虑杆件的稳定性和结构整体的稳定性。

2.2 整体刚度与失稳问题

对钢结构设计中整体刚度和失稳问题来说，目前通用的规范计算方法是临界压力求解法和折减系数法，以此计算轴心压杆的稳定性。

2.3 弹性稳定分析

弹性稳定计算是钢结构设计稳定性中的重要内容之一，除了要考虑钢结构的整体性外，还要考虑以下两方面的因素：①要做二阶分析。这种分析在柔性构件上显得尤为重要，因为柔性构件的变形量会对结构内力产生重大影响。②要考虑应力问题的叠加原理。不能将这种原理应用在弹性稳定计算中，是因为弹性稳定计算不符合叠加原理的结构变形。

3 设计中存在的问题

3.1 不确定性因素

在钢结构体系设计中，有许多不确定性因素会影响设计的稳定性，比如物力、几何不确定性因素，包括材料（弹性模量、屈服应力等）、杆件尺寸、截面积、残余应力和初始变形等。在确定与稳定性有关的几何量和物理量时，大多会根据以往经验分析问题，而不结合实际情况。另外，设计人员在分析钢结构时，所提的假设、数学模型、边界条件与目前的技术发展水平不相符，难以将其反映在计算中，导致理论值与实际承载力有差异等。目前，结构随机影响分析所处理的问题大多局限于确定的结构参数、随机荷载输入的格局范围内，而在实际工程中，由于参数的不确定性，会引起结构响应的明显差异。

3.2 梁—柱稳定性设计

在网壳结构稳定性设计中，梁—柱单元理论已经成为了主要的设计方法，但是，梁—柱理论不能完全反映网壳结构的受力状态，比如轴力和弯矩的耦合效应等。梁—柱是整个钢结构稳定性设计中最基础的部分，所以，在钢结构稳定性设计中，要充分注意梁和柱的稳定性以及两者之间的力学效应。

3.3 预张拉体系不完善

预张拉钢结构体系是钢结构稳定性设计中的另一个重要组成体系。以往预张拉体系的理论并不是很完善，没有一个完整、合理的理论体系来分析预张拉结构中的稳定性，所以，难以保证工程的稳定性，因此，要建立一个科学、完善的预张拉结构体系理论。

3.4 整体稳定与局部稳定

在钢结构稳定性设计中，存在大跨度的钢结构的整体稳定性和局部稳定性计算不到位的情况。虽然它的稳定性计算借鉴了以往的经验来确定整体稳定性和局部稳定性之间的安全系数，但是，并没有结合具体的工程情况来计算一个较为科学的安全系数，所以，它不能真实反映整体稳定性与局部稳定性之间的关系，不能保证钢结构设计的稳定性。

4 有效措施

针对钢结构稳定性设计中存在的问题，在实际设计中，应找出科学、合理的解决问题的方法，尽量减少影响稳定性的因素，这样才能够降低由钢结构设计稳定性而引发事故的概率。

4.1 减小不确定性因素影响

不确定性因素对钢结构稳定性设计造成的影响是难以避免的，但是，可以利用一些方法来减小这种影响，提高钢结构稳定性设计的可靠性。比如，可以为钢结构进行力学性能分析和设计，或者从设计的众多实验中选择一个较为合理的方案等。

4.2 合理地运用梁—柱理论

梁—柱理论是当前钢结构稳定性设计中最基础的理论，也是最重要的理论。在钢结构设计中，要实际考察钢结构工程的场地、材料、设计方案等相关事项，合理地运用梁—柱理论分析钢结构设计中细部构造和构件之间的稳定性、整体结构和组成部分之间的稳定性等，达到提高钢结构设计稳定性的目的。

4.3 完善预张拉结构理论体系

预张拉结构理论体系对钢结构稳定性的设计是极为重要的。建立一套科学、完善、合理的预张拉结构体系理论，根据这个理论体系分析预张拉结构，最终得出准确的结果，这样能够确保达到钢结构稳定性设计的要求。

4.4 重视局部与整体之间稳定性的关系

避免采用根据经验确定局部稳定性与整体稳定性之间安全系数的方法，加强对钢结构局部稳定性与整体稳定性之间关系的重视程度。根据钢结构工程的实际情况，考察现场、材料等相关因素，科学地计算出一个较为可靠的安全系数，减小误差，提高钢结构稳定性设计的准确性。

5 结束语

钢结构设计中的稳定性是影响钢结构工程安全和质量的重要因素之一。在实际设计中，设计人员应该明确结构构件的稳定性能，避免钢结构稳定性设计中出现的问题，要掌握钢结构稳定性设计的原则。根据工程的实际情况进行钢结构稳定性设计，避免在其使用过程中出现失稳现象，引发重大的安全事故。

参考文献

[1]王丽丽.钢结构稳定性设计研究[J].黑龙江科技信息，2013（30）.

[2]赵雪仰，郭杰，刘敏，等.钢结构稳定性设计[J].科技信息，2012（29）.

[3]董晨涛.浅谈钢结构稳定性设计[J].建筑工程技术与设计，2014（21）.

〔编辑：白洁〕

Stability Analysis of Steel Structure Design

Jiang Junquan

Abstract： Stability is the design of steel structures is an important issue； it will directly affect the stability of the project's quality and safety. In the history of modern engineering， there are many because the steel instability caused the accident， and cause serious economic losses and casualties. Therefore， in order to control the quality and safety engineering， accident prevention of the project to strengthen the stability of the steel structure design is necessary. This paper analyzes the problems in design of steel structures， and makes recommendations.

Key words： design of steel structures； stability； build performance； engineering quality