浅谈钢结构设计中的稳定性问题

浅谈钢结构设计中的稳定性问题高军乌鲁木齐天助工程技术咨询有限责任公司830000摘要：钢结构稳定性能是决定其承载力的一个重要因素。对于受压或受弯构件,如果技术上处理不当,可能使钢结构出现整体失稳或局部失稳,甚至整体塌落,后果严重,在设计中要予以充分重视。本文提出了钢结构稳定设计中存在的问题，分析了建筑钢结构稳定性设计,阐述了建筑钢结构稳定性计算方法。关键词：钢结构设计稳定性问题计算方法中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：稳定性设计是钢结构设计中的一个重要环节。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，将会造成不应有的工程事故。钢结构设计中的稳定性验算是钢结构设计中一个必不可少的环节，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。目前，钢结构中出现过的失稳事故都是由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定性计算不够重视，对如何保证结构稳定缺少明确概念，造成一般性结构设计中不应有的薄弱环节。一、钢结构稳定设计中存在的问题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、目前在网壳结构稳定性的研究中，梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁-柱单元进行过修正，主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。3、在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。4、预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。5、钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。二、建筑钢结构稳定性设计分析在设计钢结构时，要遵守它的基本设计原则，保证设计的钢结构安全可靠，确保设计的钢结构有良好的耐久性，并且有足够的强度、刚度和稳定性，具备钢结构应具有的基础的优势，通过稳定性设计，发挥钢结构的最大优势。1、钢结构设计原则在了解设计原则时，我们先要理解强度和稳定的问题，知道二者的区别所在，强度问题是一个应力问题，我们所说的极限强度主要是取决于材料的特性；如对于混凝土等一些脆性材料，要取其最大的强度，而对于钢材则实常取其屈服点。但稳定问题与强度问题却不是同一概念，要解决强度问题，就先要找出不稳定的平衡状态，这个状态存在于外部荷载与构件内部抵抗力之间，也就是变形开始快速增长的那个状态，通过这种分，我们可以知道强度问题实质上是一个变形的问题。（1）钢结构的整体布置一定要符合整个体系以及组成部分的稳定性要求。目前，大多数的钢结构是以平面体系设计的，例如，桁架和框架的设计。若要这些平面结构不出现失稳的问题，就要考虑钢结构的整体布置，通过对整体布置的解决，亦即设计必要支撑构件，防止出现失稳。这说明平面结构构件的出平面稳定计算和结构布置必须要有一致性。（2）在框架结构的稳定计算中，结构计算简图和实用计算方法所依据的简图必须有一致性，这是重要的一点。目前，在设计单层和多层框架结构时，我们不作框架稳定分析，而是作框架柱的稳定计算，在这里，我们通过这种方法计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数时，应该依靠框架整体稳定分析得出相应的结果，从而得出的柱子的稳定计算与框架稳定计算才是等效的。但在实际工作中，我们会设定一些不符合实际的典型条件，这是由于框架是多种多样的，需在设计简化计算的工作量。（3）设计结构的细部构造与构件的稳定计算必须相一致。设计人员处理构造细部时，在对传递弯矩和不传递弯矩的节点连接作出要求时，应该考虑到它要具备足够的刚度和柔度，以及要注意到桁架节点应尽量减少杆件偏心，但当构造上有不同于强度的要求或需要特殊考虑时，这些是涉及到构件稳定性能时，就应该考虑到这些。同时，在允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲时，支座也需要能够阻止梁绕纵轴扭转，达到以上的要求，在稳定分析中，就会符合会分析时所采取的边界条件。2、建筑钢结构稳定设计特点（1）钢结构稳定性整体分析：要保持钢件的稳定，就要从结构的整体出发，分析构件的稳定性。（2）失稳和整体刚度：临界压力求解法和折减系数法是现行较为规范的稳定计算方法，这两种方法通用于轴心压杆的稳定计算法中。（3）弹性稳定计算的特点：在弹性稳定计算中，不仅要考虑结构的整体性这一特点，还要考虑其他的特点，也就是应用于柔性构件的二阶分析，也就是说，在设计柔性构件时，二阶分析是我们首先要考虑的。这主要是由于柔性构件的大变形量会对结构内力产生一定的影响。并且在弹性稳定计算中应用于应力问题的迭加原理。三、建筑钢结构稳定性计算方法结构稳定问题的分析方法都是针对着在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。总体上来说,稳定问题的计算方法有以下三种。1、能量法如果结构承受着保守力,可以根据有了变形的结构的受力条件建立总的势能,总的势能是结构的应变能和外力势能两项之和。如果结构处在平衡状态,那么总势能必有驻值。根据势能驻值原理,先由总势能对于位移的一阶变分为零,可得到平衡方程,再由平衡方程求解分岔屈曲荷载。根据小变形理论,能量法一般只能获得屈曲荷载的近似解;但是,如果事先能够了解屈曲后的变形形式,采用此变形形式作计算可以得到精确解。稳定平衡时总势能最小的原理称为最小势能原理。当总势能具有最小值时,它的二阶微分是正值,平衡状态是稳定的。这就是说,用总势能驻值原理可以求解屈曲荷载,而用总势能最小原理可以判断屈曲后平衡的稳定性。2、动力法处于平衡状态的结构体系,如果施加微小干扰使其发生振动,这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限值时,加速度和变形的方向相反,因此干扰撤去以后,运动趋于静止,结构的平衡状态是稳定的;当荷载大于极限值时,加速度和变形的方向相同,即使将干扰撤去,运动仍是发散的,因此结构的平衡状态是不稳定的:临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载,可由结构振动频率为零的条件解得。动力法属于结构动力稳定问题。3、平衡法中性平衡法或静力平衡法,简称平衡法,是求解结构稳定极限荷载的最基本的方法。对于有平衡分岔点的弹性稳定问题,在分岔点附近存在着两个极为临近的平衡状态,一个是原结构的平衡状态,一个是已经有了微小变形的结构的平衡状态。平衡法是根据已产生了微小变形后结构的受力条件建立平衡方程而后求解的。如果得到的符合平衡方程的解有不止一个,那么其中具有最小值的一个才是该结构的分岔屈曲荷载。平衡法只能求解屈曲荷载,但不能判断结构平衡状态的稳定性。尽管如此,由于常常只需要得到结构的屈曲荷载,所以经常采用平衡法。在许多情况下,采用平衡法可以获得精确解。参考文献：[1]吴建有.钢结构设计原理[M].北京:中国建材工业出版社,2000(7).[2]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南[M].北京:中国建筑工业出版社，2005.[3]朱步范,罗建华.钢结构稳定性设计计算要点[J].新疆石油科技，2008.[4]沈世钊,陈昕.网壳结构的稳定性[M].北京:科学出版社，2004.浅谈钢结构设计中的稳定性问题作者：高军作者单位：乌鲁木齐天助工程技术咨询有限责任公司刊名：城市建设理论研究（电子版）英文刊名：ChengShiJiansheLiLunYanJiu年，卷(期)：2012(22)本文链接：