钢结构框架稳定性及抗震分析

胡军安

摘要：钢结构的稳定设计至关重要。在各种类型的钢结构中，由于结构失稳造成的伤亡事故时有发生。为了更好地保证钢结构稳定设计中构件不失稳，保证工程质量及使用安全，本文对钢结构的稳定性及抗震进行详细分析，以供大家参考。

关键词：钢结构框架；稳定性；抗震

引言：改革开放之后，我国各行各业都发展迅速，建筑领域在国民经济发展中的地位陆续提高。就现阶段而言，工程建筑已经成为了社会发展的重要动力，保障工程结构的稳定具有重要意义。目前钢结构建筑的应用越来越多，如何做好钢结构的稳定性分析，成为了钢结构设计中的主要问题。进行结构抗震分析，其目的也是为了保证结构的稳定性。一旦钢结构稳定性分析出现偏差，将会为整个工程留下风险隐患，因此探讨钢结构稳定性及抗震分析十分必要。

一、钢结构稳定性设计的重要性

目前，在很多钢结构的建筑中都普遍存在钢结构稳定性差的问题。出现这样的问题主要是设计者没有把钢结构中的结构和材料的力学性能了解清楚，缺乏稳定性设计的相关概念；另外在施工的过程中也没有按照严格的施工规范，有的为了降低成本，偷工减料，关键部位没有保证施工的质量，最后导致钢结构出现失稳的现象，造成重大的经济损失和人员伤亡。为此做好建筑施工中的钢结构稳定性的设计是极为重要的，他不仅关乎工程的质量，也还关乎人们的生命安全。一旦出现钢结构失稳的现象，轻者使建筑中的某一个方面出现问题，重者则能够让整个工程全部倒塌和造成人员伤亡。现阶段，做好钢结构稳定性设计已经迫在眉睫。只有注意了稳定性设计存在问题，针对问题采取相应的措施，这样才能够更好的推动建筑中钢结构的进一步发展。

二、钢结构稳定性分析

1、结构稳定的基本概念

稳定分析是研究结构或构件的平衡状态是否稳定的问题。处于平衡位置的结构或构件，在任意微小外界扰动下，将偏离其平衡位置，当外界扰动除去以后，仍能自动回复到初始平衡位置时，则初始平衡状态是稳定的，或称稳定平衡。如果不能回复到初始平衡位置，则初始平衡状态是不稳定的，或称不稳定平衡。如果受到扰动后不产生任何作用于该体系的力，但是当扰动去除以后，既不能回复到初始平衡位置又不继续增大偏离，则为随遇平衡或中性平衡。结构或构件由于平衡形式的不稳定性，从初始平衡位置转变到另一平衡位置，称为屈曲或称为失稳。

2、强度与稳定有著显著区别

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。极限强度的取值取决于材料的特性。对混凝上等脆性材料，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。如轴心受压柱，由于失稳，侧向挠度使柱子增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可能远远低于它的轴心受压强度。显然，轴心受压强度不是柱子破坏的主要原因。 稳定是结构所处的一种状态，而失稳是相对于稳定而言。

3、局部失稳开始逐渐形成

结构的失稳现象分为两种，即局部失稳和整体失稳。整体失稳是整个结构突然屈曲至完全不同于初始形状的变形形式，出现偏离平衡位置的大位移。局部失稳是指结构局部刚度逐渐减小直至消失，这时的荷载与位移的对应关系会突然偏离平衡位置，产生一个跳跃，在局部将出现很大的几何变形。

对于大多数结构分析问题，用线性结构分析是安全的，可是对于高层钢框架结构来说，线性分析得到的结构位移会小于真实位移，是偏不安全的。在荷载作用下的线性分析，结构在一定范围内安全是有保障的，但是在实际问题中往往存在位移过大等问题。结构设计所涉及的内容十分广泛，其中极为重要的一个方面就是确定结构的极限承载力。结构的极限承载力与多种因素相关，如材料所能达到的最大强度、结构所容许的最大变形、材料发生疲劳而产生的脆性断裂、结构或构件的平衡失稳所设计的构件大多柔弱或细长，因而在绝大多数情形下稳定性是影响钢结构极限承载力的一个重要因素。因此，稳定性能分析是钢结构设计中的一个重要内容。

三、钢结构框架抗震设计

进行结构抗震设计的目的也是为了保证结构的稳定。钢结构框架抗震的力学性能与计算模型吻合情况如何主要取决于三个方面：构件、节点、支撑。对于构件问题，其在弹性工作状态下的性能已是十分清楚，也有很好的计算方法。在钢结构框架体系中，构件是否能被允许进入塑性阶段有待于探讨。对重要结构，一般情况下是不允许进入塑性阶段的，即不考虑利用构件进入塑性后的那部分能力，可以把这部分能力作为安全储备。另外，由于设计用地震动输入的欠准确性和结构在地震时的非弹性破坏机理的复杂性，使得“塑性结构”的设计方法无法准确预知结构遇到地震时的破坏程度。这样一来，对于钢结构构件在弹性状态下的受力性能现在已有很好的解决了。结构的质量中心和刚度中心偏离愈大时，水平力的空间结构的扭转作用就愈大，各楼层的质量中心和刚度中心之间也不可能不存在偏心，在地震平动分量作用下将发生扭转振动，此时空间结构的表现为空间振动。这时必须考虑其扭转效应，而对于钢构件的空间扭转情况，节点连接情况等迄今没有得到解决。偏心结构的地震反应与频率比、偏心率、结构自振有关。

钢结构在地震作用下有两种破坏形式（1）初次超越破坏（2）累积破坏。对于全钢结构来说有良好的塑形特征，故发生初次超越破坏的可能性不大，在很大程度上是累积损伤破坏形式――高应变低周疲劳破坏。所以在很大程度上钢结构的抗震性能取决于钢材的疲劳特性。

对于钢框架整体性能来讲，节点的情况是十分重要的，在以往的震害调查中有70%以上钢结构的破坏发生在节点处，节点的构造能否达到计算模型中杆件的约束要求、强度要求是十分显著的。钢材本身是匀质且延性很好的材料，钢结构的结构变形性能主要取决于节点的连接。钢结构震害的主要教训就是焊缝形式的采用不当及焊接质量的缺陷。

结束语：

随着社会的进步，工程建筑的结构越来越复杂，建筑形式也来也多样，就目前来看，钢结构建筑的应用已经十分广泛，钢结构与其它结构存在很大差别，其结构稳定分析也面临着更大的难度。一旦钢结构稳定性分析出现偏差，将会为整个工程留下风险隐患，可见做好钢结构设计，做好钢结构稳定性分析十分必要。本文从稳定性设计的重要性、稳定与强度的区别、结构失稳的表现、钢结构框架的抗震设计等几方面出发，进行了钢结构设计中的稳定分析，希望对相关工作有所帮助。未来钢结构的应用会更加普遍，钢结构稳定性分析技术也会更加完备。目前如何提高钢结构的稳定性，保证建筑物的质量安全，还需要我们继续探索。

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