對于鋼結構設計中穩定性分析探討

周嵐

摘 要：鋼結構與混凝土結構相比，工程成本低，抗震強度高，節省空間。應用高強度的鋼材適用于電子計算機普及的當今時代，而建筑施工技術也取得了更廣闊的發展空間，因為建筑施工中主要采用的鋼結構體系具備了所有適合推廣應用的因素，可以在高速時代環境中有一個很好地發展。當然，普及和發展鋼結構的同時會暴露出許多設計方面的問題，其中鋼結構的穩定性是其最突出的問題。

關鍵詞：鋼結構；設計；穩定性

其中最突出的鋼結構問題就是其穩定性如何。穩定性在鋼結構體系中是至關重要的，對于各類鋼結構體系來說關于穩定性的問題是最值得注意的，如果處理不得當就會帶來經濟上的巨大損失。因此，在設計鋼結構的過程中，一定要嚴格把握好這關，惟有這樣，才能減少許多設計中不必要的麻煩，對于保持建筑鋼體結構的穩定性要應用更好的辦法進行解決。

1 建筑應用鋼作為主要構體材料還存在許多問題

1.1 論述關于鋼體結構的強度和穩定度的區別有很多。強度的定義就是：結構或單體構架處于平衡狀態時，被負載引起的最大應力，由此引出最大強度的概念即為：負載超過建筑材料的最大承受時所受到的應力。強度是一個應力，確定材料的同時也就確定了最大強度的極限值，因為材料的特性決定了最大強度的取值，如使用混凝這一類脆性材料便可取到它的最大強度用來構造建筑，而像鋼材類的材料，最大的強度要取它的屈服點。相較之下，結構外荷載與內部抵抗力間不穩定的平衡狀態就是穩定問題的主要體現。當軸壓柱的結構不穩定時，側向撓度會使彎矩的壓力增大，使柱子的載重遠遠超過了其負荷。所以，柱子被破壞的原因并不是軸壓強度所造成的。

1.2 就如今形勢來說，應用梁-柱理論作為研究以網殼結構為主要構象的建筑工具。但是就現今科學水平而言，盡管還不知道梁-柱理論能否正確反映其結構中的受力狀態，但是研究表明關鍵在于耦合效應的確是影響網殼結構的重要因素。

1.3 針對飛躍性的設計結構而言，雖然已經統一了一個數字作為確定結構是否穩定的安全系數，可這個系數確無法清楚的體現結構整體與局部穩定的關聯性。所以在探討大跨度結構設計中整體與結構的穩定關聯性的問題上至今還未得到解決。

1.4 至今還沒有出現一個體系可以完整準確的預測建筑結構體系中的穩定性如何，因此在預測張拉結構體系的穩定設計還需不斷完善不斷加強才是。

1.5 關于鋼體結構的影響因素諸多。結構中出現的不定因素會很大程度的影響分析結果。分析中大多依靠幾個結構參數，以及隨機輸入的荷載，而實際工程中，由于大多數的結構參數不確定，也就引起了結構響應出現顯著差異。對于鋼結構的穩定性有許多問題是值得注意的，針對干擾型屈曲、結構極值失穩、跳躍性失穩等問題要準備相對應的應對策略。

2 鋼結構穩定性的分析方法

2.1 靜力法

根據已有的受理條件建立所需要的微分方程，但要在結構出現微小變形后才可使用靜力平衡法即為平衡法，之后求解臨界荷載。并假設條件為構建為等截面的直線；變形力以及應用材料均滿足胡克定律，變形力的傳遞方向也是沿著構件原有的軸線，當構件在變形力的作用下產生的形變不明顯時可利用二階導公式進行近似數值上的表達。

2.2 能量法

能量法的具體定義是：對穩定承載力數值上的近似求法即為利用勢能駐值原理以及能量守恒定律。

2.2.1 針對求解臨界負荷值可以利用能量守恒定律

能量守恒的定義即為：一個體系保持平衡狀態時，外界做的功與它自身產生的形變能數值相等。即有公式ΔU=ΔW

2.2.2 針對求解臨界負荷值可以應用勢能駐值原理

利用數學公式即可表達為dΠ=dU-dW=0，其中dU使虛位移引起結構上的應變能發生改變的變化值，并且數值始終為正，外力作用于虛位移的功用ΔW表示。關于勢能駐值原理的具體內容：外力作用與體系時，結構產生的微小位移而此時體系結構的總是勢能大小保持不變，稱此時的狀態為平衡狀態。

2.3 動力法

當體系處于平衡狀態時，若對該體系的結構進行微弱的干擾，則結構所產生的加速度與體系結構上的最大負載量有著緊密聯系。加速的的方向改變時會影響所承受荷載小于極限荷載。所謂的極限荷載是指在結構處于穩定狀態時，所能承受的最大荷載。當對體系的微弱干擾消失時，結構將處于靜止的平衡狀態，運動狀態也會停止；相對的，加速度同向的時候，是由于荷載超過了極限荷載。當干擾消失以后其平衡狀態也會處于不穩定的狀態之中，其運動的狀態也會更趨向于發散狀，當此結構的振動頻率為零時，所謂的屈曲荷載就是臨界狀態荷載為結構，便可得解。

3 計算鋼結構的穩定性的方法

3.1 利用高等分析法對結構進行整體設計

直接計算出框架的承載力將框架作為整體結構，是高等分析法中的常用方法，若將框架進行拆卸然后使其成為梁和柱用在計算過程中就顯得多余了。在計算過程中只要應用框架的幾何長度即可解決問題，這也更加符合設計的要求。下面列出幾種常見的高等分析法：（1）改進彈塑性鉸（2）再折減切線模量法（3）等效假想荷載塑性鉸法（4）彈塑性鉸法（5）塑性區法或塑性分布法

3.2 二階分析法

對框架結構的整體二階效應進行精確考慮時最宜采用二階彈性分析，這也是出自《規定》的第328條規定的。在利用二階導彈性分析方法對結構中的內力進行詳細計算時，不僅要猜測水平力的大小同時也要考慮到框架結構中的幾何長度大約為多少。在結構中央施加水平力的時候要重點關注不穩定作用可增大側移量這一影響因素。

總而言之，在設計過程中要著重避免結構出現失穩的現象，這就更需要設計好鋼結構中的具體構件，保證其穩定性能達到最佳程度。只有確保設計人員的知識面廣經驗豐富，才能對其設計的鋼結構的穩定性有更好的保證，而且為了不給設計工程造成不必要的經濟損失，就需要設計人員提前對新結構的具體了解和學習認知，只有通過不斷的學習才能設計出穩定性更好地鋼結構作品。

參考文獻

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