簡述鋼框架穩定性設計

朱麗娟 祁紅梅

穩定性是鋼結構的一個突出問題，在各種類型的鋼結構中都會遇到，對于這個問題處理不好，將會造成不應有的損失。目前，鋼結構中出現過的失穩事故都是由于設計本身的經驗不足，對結構及構件的穩定性能不夠清楚，對如何保證結構穩定缺少明確概念，造成一般性結構設計中不應有的薄弱環節。

1 鋼結構穩定設計的基本概念

1.1 強度與穩定的區別

強度問題是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由荷載所引起的最大應力(或內力)是否超過建筑材料的極限強度，因此是一個應力問題。

穩定問題，主要是找出外荷載與結構內部抵抗力間的不穩定平衡狀態，即變形開始急劇增長的狀態，從而設法避免進入該狀態，因此，它是一個變形問題。如軸壓柱，由于失穩，側向撓度使柱中增加數量很大的彎矩，因而柱子的破壞荷載可以遠遠低于它的軸壓強度。顯然，軸壓強度不是柱子破壞的主要原因。

1.2 鋼結構失穩的分類

1)第一類穩定問題或者具有平衡分岔的穩定問題(也叫分支點失穩)。完善直桿軸心受壓時的屈曲和完善平板中面受壓時的屈曲都屬于這一類。2)第二類穩定問題或無平衡分岔的穩定問題(也叫極值點失穩)。由建筑鋼材做成的偏心受壓構件，在塑性發展到一定程度時喪失穩定的能力，屬于這一類。3)躍越失穩不同于以上兩種類型，它既無平衡分岔點，又無極值點，它是在喪失穩定平衡之后跳躍到另一個穩定平衡狀態。

1.3 鋼結構穩定設計的原則

1)結構整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩定性要求。2)結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖相一致，這對框架結構的穩定計算十分重要。3)設計結構的細部構造和構件的穩定計算必須相互配合，使二者有一致性。

2 鋼框架穩定性計算方法

2.1 計算長度法

現行GB 50017-2002鋼結構設計規范(以下簡稱《規范》)利用計算長度系數法對結構中單個柱子穩定性進行驗算，從而得出結構的穩定性。規范將框架分為無支撐純框架和有支撐框架，當采用一階彈性分析方法計算內力時，框架柱計算長度系數μ按規范查表得出(《規范》5.3.3條)，也可以利用《高層民用建筑鋼結構技術規程》第6.3.2條近似公式計算。

1)有側移時:

2)無側移時:

其中，k1，k2分別為交于柱上下兩端的橫梁線剛度之和與柱線剛度之和的比值。

在有側移失穩時，橫梁兩端的轉角大小相等、方向相反。缺點:在實際結構中，梁、柱都存在彎矩和彎曲，并非都是理想的無初彎曲構件，在查計算長度系數表時，只考慮直接與柱子相連的橫梁約束作用，結構失穩是整層甚至是整個結構的失穩，而不是單個柱子失穩，而且，結構設計軟件在柱子計算長度的確定上經常存在困難。

對于以上問題，現在已有成熟的改進方法:

《規范》5.3.6條規定:附有搖擺柱的無支撐框架柱和弱支撐框架柱計算長度系數應乘以增大系數η:

其中，∑(Nf/Hf)為各框架軸心壓力設計值與柱子高度比值之和;∑(N1/H1)為搖擺柱軸心壓力設計值與柱子高度比值之和。

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中6.1.3條規定:當多跨剛架中間柱為搖擺柱時，邊柱計算長度系數應乘以增大系數η(同式(2))。

2.2 二階分析法

P—Δ效應具有增大側移的作用，即不穩定作用。這一效應對層數多而側向剛度不大的框架影響十分明顯，對一，二層框架影響不大。當采用二階彈性分析方法計算內力，并在每層柱頂考慮假想水平力時，框架計算長度取幾何長度。

2.3 整體設計法——高等分析法

高等分析法在計算過程中不再需要將框架拆卸成為許多柱和橫梁，而是將框架作為一個整體結構直接計算其承載力，使其符合設計要求，因此在計算過程中只用到框架的幾何長度。

現在主要有以下幾種高等分析法:1)塑性區法或塑性分布法;2)彈塑性鉸法;3)改進彈塑性鉸法;4)等效假想荷載塑性鉸法;5)再折減切線模量法。

3 抗震設計的穩定問題

鋼材具有良好的塑性功能，在設計鋼結構時，可以考慮結構或構件發生一定的塑性變形。傳統的塑性設計方法用的是剛塑性設計，沒有計入P—Δ效應，這就使得框架在形成剛塑性機構前會在框架平面內喪失整體穩定，使框架的實際承載能力低于剛塑性機構荷載。要解決這一問題有兩種方法:1)采用“簡化的二階矩彈塑性分析法”;2)采用柱穩定計算來代替框架的整體穩定計算。無論采用哪一種方法，局部屈曲和平面屈曲都須防止。

對于單層框架，如果柱腳是鉸接而非剛接，橫梁的線剛度比柱子的線剛度小，二階效應的影響很小?！朵摻Y構設計規范》用柱子穩定計算來代替框架的整體穩定計算，可以保證結構的安全度。

塑性設計對于跨數較多的框架和單跨框架在穩定問題上則有所不同。多跨框架中柱上端所連接的兩根橫梁的彎矩全部或大部分抵消，因此，柱所受的彎矩很小，柱所需的截面也就很小，但是，柱的軸力卻比單跨時大很多。柱的抗側移能力較弱，這也就是多跨框架必須作穩定性驗算的原因。

在輕型鋼結構的設計中也必須考慮抗震設防?？拐鹪O計中的穩定問題和塑性設計有不少共同點。根據“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設計原則，結構在罕遇地震的作用下允許出現塑性變形。對框架結構來說，也就意味著可出現一系列的塑性鉸。

4 結語

穩定問題是很復雜的，尤其當構件存在初始缺陷、殘余應力以及非線性因素的影響，就更增加了解決穩定問題的難度。另外，在工程結構穩定性的研究領域中，還存在很多尚未解決好的問題。隨著新型鋼結構的出現，我們工程設計人員應該明確在鋼結構穩定設計中的一些基本概念，以及對新型鋼結構穩定性研究應該了解的一些問題，并且應該懂得如何解決這些問題。只有這樣，我們在設計中才能更好的處理鋼結構穩定問題，從而減少經濟損失和人員傷亡事故。

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