钢结构设计及加固

沈超波 许观龙

【摘 要】随着我国经济的飞速发展，我國各个领域都对自身的要求都不断的加强。由于目前钢结构使用广泛，为土木工程的飞速发展提供了便利。钢结构设计以及加固方面的技术也在飞速发展，本文通过对钢结构稳定性设计理论以及失稳原因分析，提出了相应的设计注意事项以及加固的改善方法。

【关键词】钢结构；设计；加固方法

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。

一、钢结构稳定性的设计原则

（一）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。

（二）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。

（三）计算方法与结构简图一致

在设计单层及多层的框架结构时，并不需要框架稳定性，而要计算框架柱的稳定性。使用这种方法去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，这样才可以使最终框架稳定计算等效于柱稳定计算。另外，如果计算方法和结构简图不一致，就要调整计算方法，从而保证钢结构稳定性分析的要求。

（四）钢结构设计的特点

4.1通过现行规范通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法和折减系数法。

4.2稳定计算的其它特点

在弹性稳定计算中，除了需要考虑结构的整体性外，还有一些其他特点需要引起重视。首先要做的就是二阶分析，这种分析对柔性构件尤为重要，这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响，其次，普遍用于应力问题的迭加原。在弹性稳定计算中不能应用。这是因为迭加原理的应用应以满足以下条件为前提：材料服从虎克定律变成正比，结构的变形很小。而弹性稳定计算一般均不能满足第结构的变形很小这一条件，非弹性稳定计算则两个前提都不符合。了解钢结构设计中的一些基本概念，有助于我们在设计中更好地处理稳定方面的问题，随着新型钢结构体系的不断发展，我们对稳定问题的研究要求也不断地提高，之所以在设计中出现结构失稳问题，另一个重要原因就是我们对新型结构稳定知之甚少，这是目前钢结构稳定研究中存在的问题。

二、钢结构失稳的类型

（一）稳定分岔失稳

在一般情况下，根据分类指导的实践结构稳定性理论分析，结构如果达到临界状态的对应，从无屈曲平衡形状过渡到无限接近屈曲平衡的时间就是由直杆而出现微弯的阶段。结构在经历这一阶段之后，变形的表现会逐渐增大，甚至有时要求荷载的数量也有所增加。在这种因素的影响下，轴向压缩以及中间的表面压缩平板下直杆都属于这种情况。当板屈曲强度变得比较明显之后，在工程设计的过程中可以对此加以利用。

（二）不稳定分岔失稳

当屈曲临界荷载后，结构则只能在远低于的状态下保持平衡配置。在轴向载荷和均匀外力的作用下，钢结构使用较多的格构柱与圆柱壳非常相似。薄壁钢管支柱在一定条件下也会表现出相似的特征。这种屈曲被称为“干扰受限的屈曲”。

（三）极值点失稳

极值点失稳是指偏心受压构件施工钢制成的稳定性与塑性发展到一定程度的能力丧失，载荷失稳发生时的实际价值就是最终的负荷，这种平衡状态是渐进地失稳，差异有重要的分支与平衡。

三、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目前仍旧处于不断完善的阶段，但在实际稳定性设计中，由于部分设计者忽略了钢结构材料的缺陷，而仅仅是为了便于计算，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、初偏心以及弯曲等客观存在的缺陷而被忽略，以至造成计算出现偏差，严重影响钢结构稳定性。另外，多随机性也是对钢结构稳定性设计有较大影响的主要因素之一。目前通过钢结构随机性影响因素的问题，仅仅局限在结构参数及随机荷载的确定和输入范围内。在实际钢结构施工过程中，不确定性的结构参数也会使结构响应存在明显的差异。所以，在实际钢结构稳定的设计中，影响因素涉及物理几何及统计的不确定性、模型的随机性。如材料、截面积等都无法在计算中反映出。各种因素的不确定，造成理论与实践存在较大的差异，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。

四、钢结构稳定性研究中存在的问题和相应的加固方法

（一）钢结构稳定性研究中存在的问题

梁柱单元理论是进行网壳结构稳定性研究的重要工具，但是还无法确定梁柱单元是否能够真实反映壳体结构的实际应力状态。目前研究的主要问题是如何真实反映弯矩的耦合效应以及轴力。局部稳定性与整体稳定性是个值得探讨的问题，大跨度结构的设计，没有反映相关的整体稳定性以及局部稳定性。

（二）钢结构加固的主要方法

要加固钢结构，可以减少负荷计算，增加构件截面以及连接强度，避免出现裂纹扩展的结构变化。如果实践经验非常丰富的情况下可以采用其他方法：第一，对于受弯杆件而言，可以通过改变其截面的方法进行加固：（1）改变荷载分布。比如，将一个集中的荷载转变为多个集中荷载；（2）改变端部的支承情况，比如将铰接变为刚结；（3）将简支结构端部变成连续结构或是增加中间支座；（4）合理调整连续结构的支座位置；（5）把结构转化为撑杆式结构；（6）增加预应力。

第二，对于桁架而言，可以采取以下两种方法来改变杆件內力，达到加固的效果。第一种方法是增加预应力拉杆；第二种方法是将撑杆变桁架转化为撑杆式结构。第三，增强构件截面的加固。对于加大截面加固钢构件而言，需要注意确保在选定的部分的过程中应该有助于强化技术，同时需要考虑存在的缺陷以及损伤状态。第四，在选择钢结构连接方法、焊接、钢与钢铆钉连接方法、螺栓与高强度螺栓连接方法时，需要考虑具体原因、目标、结构条件、施工条件、结构钢筋应力条件以及原有连接方法结构测定等因素。焊接接头的基本用途，摩擦型高强度螺栓能够加固钢结构，同时将高强螺栓摩擦混合也能够加固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。

（一）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。

（二）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。

（三）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。

（四）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。

结语

总之，在钢结构的设计与加固改造中，方案的选择是非常复杂的，要按照相关的要求严格进行，并重点做好构件以及节点的设计，保证安全。如果设计不当，就很有可能使得钢结构本身稳定性较差，影响整体建筑的质量。设计人员只有明确了钢结构构件的基本新能才可能使其在加固过程中发挥其相应的作用。另外由于钢结构设计与加固设计因素众多，只有深入了解并及时发现相应的问题然后进行解决，才能够保证设计的完美以及整体钢结构的稳定。

参考文献：

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