關于鋼結構穩定設計中的要點問題分析

【摘要】本文主要就鋼結構穩定設計問題進行了深入的探討。在各種類型的鋼結構中，都會遇到穩定問題。對于這個問題處理不好，將會造成不應有的損失。 本文在此提出了自己的一些看法，可供同行參考。

【關鍵詞】鋼結構； 穩定性； 設計

一、前言

鋼結構自身具有強度高、自重輕等諸多優點，已被廣泛應用，但其自身仍存在一定缺陷，在各種類型的鋼結構中，保持穩定性是經常遇到的問題，也是鋼結構設計的關鍵所在。一旦出現了鋼結構的失穩事故，不但對經濟造成嚴重的損失，而且會造成人員傷亡。因此工業建筑鋼結構的穩定問題在設計中，設計人員應該注重結構構件的穩定性能，以免在設計過程中發生不必要的失穩損失

二、建筑鋼結構的優勢

首先鋼結構具有自重輕，延性好的特點，因此將其應用在建筑中，可以很好的突出抗震優勢。主要因為鋼結構的總質量較小，其地震力效應自然也小。良好的延性同樣對地震效應有著很好的緩沖作用。通常混凝土施工時管道需要通過梁底，占用了較大的空間，迫使樓層的凈高減少。而通過采用鋼結構，可有效提高各樓層之間凈高效果。其次，鋼結構建筑還具有地域應用優勢。與其他施工結構相比，鋼結構施工速度較快，這一特點對于不利于施工冬季較長的西部地區來說，優勢非常明顯，它不但保證了施工質量、縮短了施工周期而且還可有效減少因施工帶來的溫度等問題。第三，鋼結構建筑具有較好的保溫性能。北方地區冬季室內采暖期較差，部分地區可達半年之久，引起對外墻保溫措施的要求相對較高。鋼結構主宰與傳統磚墻結構相比，其墻體通過選用相配套的建筑板材，可有效確保其良好的保溫性能，從而滿足北方用戶居住的基本需求，同時也有效實現了建筑節能的發展趨勢。

三、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）。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—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—定程度時喪失穩定的能力，屬于這—類。

3、躍越失穩是一種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—個穩定平衡狀態。區分結構失穩類型的性質十分重要，這樣才有可能正確估量結構的穩定承載力。隨著穩定問題研究的逐步深入，上述分類看起來已經不夠了。設計為軸心受壓的構件。實際上總不免有一點初彎曲，荷載的作用點也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構件的性能，就必須了解缺陷對它的影響，其他構件也都有個缺陷影響問題。另一方面就是深人對構件屈曲后性能的研究。

四、鋼結構穩定的特點

1、失穩與整體剛度的設計方法：軸心壓桿的結構的穩定性設計法是采用臨界壓力求解法與折減系數法等。

2、穩定性整體分析：穩定分析需要從整體著眼，主要是看其桿件能否保持穩定牽涉到整體的結構。

3、有關穩定計算的另一特點：鋼結構彈性的穩定計算，除了需要了解結構的整體體系外，還有另一些特點要引起重視。第一，進行二階分析，這種分析法對柔性構件尤為適用，這是由于柔性鋼構件，其變形量大，對鋼結構內應力產生了很大的影響；第二，迭加原理的應用，這樣有利于營利，但是在彈性穩定設計中，則不適合應用。這是由于迭加原理的應能滿足并服從鋼材的胡克定律，應力與應變成正比例關系；而彈性穩定設計不適合結構變形很小的鋼結構，采用非彈性穩定計算，那么這兩個條件都不適合。

五、鋼結構的三個設計原則

為了確保穩定鋼構件更好的設計且不失穩，要注意遵循下列三項原則。

1、整體性原則：鋼結構的整體設計需要考慮整個建造體系，以及整體與部分組成的穩定性要求。

2、相一致原則：鋼結構設計中的計算簡圖與通過計算方法所依照的簡圖是一致的，一致性在鋼結構框架穩定中起到十分重要作用。

3、相互配合原則：尤其是在精細構件的設計結構與其穩定性計算必須相互配合，使二者的計算結果相—致。

六、鋼結構穩定設計中注意的問題

1、注意強度與穩定的區別。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地最大應力（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。極限強度的取值取決于材料的特性。對混凝土等脆性材料.可取它的最大強度，對鋼材則常取它的屈服點。穩定問題則與強度問題不同，它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。

2、鋼結構穩定性設計要點。在符合鋼結構設計的一般原則前提下，要保證鋼結構的穩定性還需滿足以下條件：（1）鋼結構布置必須從體系和各組成部分的穩定性要求整體考慮，目前鋼結構大多是按照平面體系進行設計，如桁架和框架、保證平面結構不出現平面外失穩，要求平面結構構件的平面穩定計算需與結構布置相一致，如增加必要的支撐構件等。（2）實用計算方法所依據的簡圖與結構計算簡圖保持一致中層或多層框架結構設計框架穩定分析通常是省略的，只進行框架柱的穩定計算、由于框架各柱的桿件穩定計算的常用力法、穩定參數等是依據一定的簡化典型情況或假設者得出的，因此設計者要能保證所有的條件符合假設時才能應用。

3、鋼結構穩定性研究中存在許多隨機因素的影響， 一般情況下，影響鋼結

構穩定性隨機因素可分成三類：物理、幾何不確定性、統計不準確性、模型不確定性。目前結構隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結構參數、隨機荷載輸入這樣一個格局范圍，而在實際工程中，由于結構參數的不確定性，會引起結構響應的顯著差異。所以應著眼于考慮隨機參數的結構極值失穩、干擾型屈曲、跳躍型失穩問題的研究。

4、結構穩定問題也具有相關性：在結構整體布置中，必須考慮整個體系及其組成部分的穩定性要求。應考慮結構布置方案是否能夠對桁架節點提供平面外約束，這是確定桁架等桿件出平面穩定時應該十分注意的。例如，土耳其—體育場的看臺項蓋，桁架在荷載作用下大部分下弦桿受壓，而設計者卻把支撐設在桁架上弦平面內，計算受壓下弦桿穩定時，又未考慮出平面穩定，最終導致頂蓋塌落。

5、借助于計算機技術和相關軟件的發展。目前鋼結構設計中結構和構件的平面內強度及整體穩定計算可由計算機輔助完成，而由設計者對結構和構件的平面外強度及穩定計算，進行分析、計算和設計，為了提高效率和提供方便，在設計時可將整個結構按標高進行分解，簡化成不同水平荷載作用下的多個布置形式的結構體系來進行強度和穩定的計算。

七、結語

鋼結構自重輕、強度高、工業化程度高等優點，在建筑工程中得到了廣泛的應用，同時鋼結構建筑還符合國家的可持續發展戰略、發展鋼結構建筑對提高城市建設水平有很大作用。設計者應該注意對影響鋼的穩定性因素進行分析，特別是當有組件缺陷，殘余應力及其他不明朗因素時，設計者要小心處理。將強度鋼的穩定性問題區分開來。在設計實踐過程中，設計師更應該注意結構構件在設計過程中的穩定性，要盡可能避免由于構件的不穩定而發生不必要的損失。

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