钢结构的稳定设计研究

尹向辉

摘 要：无论是建筑工程，还是桥梁工程都离不开钢结构设计，钢结构设计中的稳定性设计对于整个工程的质量是至关重要的。在现代工程史上有很多重大事故都是钢结构不稳定，在外界条件发生巨大变化时，出现结构失稳，建筑物倒塌的情况，造成严重的经济损失，为此加强钢结构设计中的稳定性，对于工程质量的控制和预防工程事故发生是很有必要的。

关键词：钢结构；稳定；设计研究

在我国经济社会快速发展的新时期，特别是城市建设事业的蓬勃发展，给建筑业发展提供了良好的机会。钢结构具有施工速度块、结构性能强等优势，广泛应用到了建筑工程中。但是，在钢结构设计过程中，如果存在缺陷就会对建筑整体的结构造成影响，甚至引发严重的质量及安全事故。因此，在钢结构设计中，一定要对结构的稳定性进行认真研究与计算，掌握设计要点，提高钢结构的性能。

一、钢结构稳定设计的基本概念

（一）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。

（二）钢结构失稳的分类。具有平衡分岔的稳定问题，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。无平衡分岔的稳定问题，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。

跃越失稳问题，这不同于以上两种类型，它既无平衡分岔点，又无极值点，它是在喪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。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

二、钢结构设计的原则

（一）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。平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。由平面桁架组成的塔架，基于同样原因，需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系。

（二）结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致。目前，在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。GBJl7-88规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定。其中包括：“框架中所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临界荷载。”按照这条假定，框架各柱的稳定参数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，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。

（三）设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相符。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。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，对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。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。

三、钢结构稳定设计计算

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。

四、结语

钢结构稳定问题区别于强度问题。在实际设计中，设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能，以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。只有深入了解这些问题，才会使钢结构稳定设计理论不断地完善。

参考文献

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