钢结构稳定设计的探讨

曹金丽

摘要：稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对于这个问题处理不好，将会造成不应有的损失。本文探讨了钢结构的稳定设计。

关键词：钢结构;稳定;设计

前  言

钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，所以我们在钢结构设计中，一定要把握好这一关。钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，所以我们在钢结构设计中，一定要把握好这一关。

一、钢结构稳定设计的基本概念

1.强度与稳定的区别

强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆性材料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。

稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态，因此，它是一个变形问题如轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。

2.钢结构失稳的分类

2.1第一类稳定问题或者具有平衡分岔的稳定问题（也叫分支点失稳），完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。

2.2第二类稳定问题或无平衡分岔的稳定问题（也叫极值点失稳）。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力，属于这一类。

2.3跃越失稳是一种不同于以上两种类型，它既无平衡分岔点，又无极值点，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。随着稳定问题研究的逐步深入，上述分类看起来已经不够了设计为轴心受压的构件，实际上总不免有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有偏心。因此，我们要真正掌握这种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也都有个缺陷影响问题。另一方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。

3.钢结构稳定设计原则

3.1结构整体布置必须考虑整个体系以及各组成部分的稳定性要求。目前，結构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架、框架都是如此。保证这些平面结构不出现失稳，需要从结构整体布置来考虑，即必须设置必要的支撑构件。也就是说，结构构件的平面内和平面外的稳定计算必须和结构布置相一致。

3.2结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致。目前设计单层和多层框架结构时，经常不进行框架稳定分析而是代之以框架柱稳定计算。在采用这种方法时，计算框架稳定时用到的计算长度系数应通过框架整体稳定分析得出，这样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，需要设定一些条件。框架各柱的稳定参数及杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者必须明确所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。

3.3结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合。结构计算和构造设计相符合一直是结构设计中大家都十分关心的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋予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。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。

4.稳定设计的特点

4.1稳定问题是针对结构变形进行计算。在求解结构强度时，除由柔索组成的结构外，按未变形的结构来分析其平衡，经常可以获得足够精确的结果。稳定问题的分析是针对外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究结构或构件失稳时出现的变形相对应。

4.2 采用的是二阶分析方法。针对已变形的结构来分析其平衡，称为二阶分析方法。这种分析对柔性构件尤为重要，这是因为结构变形后的位移和变形对外力效应产生了不能忽视的影响。结构稳定计算由于所研究的变形与荷载之间呈非线性关系，属于几何非线性问题，采用的就是此方法。这种分析方法与普通结构力学中的内力计算不同对于静定结构，内力计算与结构的变形无关，属于一阶分析;对于超静定结构，虽然在计算中涉及到变形问题，但仍属于一阶分析的方法。

4.3 用于应力问题的迭加原理，在稳定计算中不能应用迭加原理的应用应满足以下条件：钢结构稳定问题是很复杂的，尤其当构件存在初始缺陷、残余应力以及非线性因素的影响时，就更增加了解决稳定问题的难度。在实际设计中，设计者应该明确结构构件的稳定性能及一些基本概念，将有助于我们在设计中更好地处理稳定方面的问题，以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。

二、钢结构稳定设计应注意的问题

1.稳定设计与强度设计的区别

强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态，因此，它是一个变形问题如轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。强度是构件上某一个截面的应力问题，而稳定则是构件的整体问题，因此，在处理稳定问题时，应具有结构整体观点。

2.充分考虑缺陷对稳定承载力的影响

2.1 构件几何缺陷的影响。杆件并非是完善直杆，在制造、安装过程中难免有初始弯曲;构件由于施工和加载等方面的原因，使荷载作用线偏离杆件轴线形成初始偏心。初始弯曲和初始偏心统称为几何缺陷有几何缺陷的钢压杆在承受轴向压力后，其侧向挠度从加载开始就不断增加，从而使二阶弯矩不断增大，失稳时不是以平衡形式由直变弯，而是以变形发展导致承载力达到极限，因此降低了其稳定承载力。

2.2 力学缺陷的影响。包括屈服点在整个构件截面上的非均匀分布，存在残余应力。残余应力使压杆的部分提前屈服，而按照钢材为理想弹塑性体的简化假定，已屈服的塑性区刚度将消失，不能继续有效地承载当继续加载时，有效截面只剩下弹性部分，塑性部分不再分担增加的荷载，压杆的稳定承载力只取决于剩余强度，杆件的刚度大大削弱，导致了构件屈曲时稳定承载力降低。

2.3 充分认识稳定问题，进行钢结构稳定设计。保证结构和构件的稳定性，是钢结构设计中极其重要的部分。《钢结构设计规范》中很大的一部分条文都和结构的稳定性有关。这些条文的规定对防止结构出现失稳事故是必不可少的然而，仅仅按照《规范》的条文来处理结构的稳定问题还不够，设计者需要对条文的规定有一定深度的理解，并且通晓各种因素对结构和构件稳定性的影响，从而对钢结构稳定问题进行全面的把握，进而灵活的运用各种措施来增强结构稳定性。

参考文献：

[1]孙荣玲.钢结构稳定问题的研究分析[J].中华建设，2007，（07）.

[2]姜一华.钢结构稳定的特点及设计计算原则[J].企业导报，2010，（08）.

[3]陈惠莲.钢结构在体育场建设中的应用[J].山西建筑，2007，（18）.

[4]袁晓文，李志通，田飞.钢结构稳定问题的阐述[J].华章，2011，（22）.