關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)問(wèn)題分析

【摘要】本文主要就鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了深入的探討。在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，都會(huì)遇到穩(wěn)定問(wèn)題。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題處理不好，將會(huì)造成不應(yīng)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(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)； 穩(wěn)定性； 設(shè)計(jì)

一、前言

鋼結(jié)構(gòu)自身具有強(qiáng)度高、自重輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用，但其自身仍存在一定缺陷，在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，保持穩(wěn)定性是經(jīng)常遇到的問(wèn)題，也是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。一旦出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故，不但對(duì)經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損失，而且會(huì)造成人員傷亡。因此工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該注重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能，以免在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失

二、建筑鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

首先鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕，延性好的特點(diǎn)，因此將其應(yīng)用在建筑中，可以很好的突出抗震優(yōu)勢(shì)。主要因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)的總質(zhì)量較小，其地震力效應(yīng)自然也小。良好的延性同樣對(duì)地震效應(yīng)有著很好的緩沖作用。通常混凝土施工時(shí)管道需要通過(guò)梁底，占用了較大的空間，迫使樓層的凈高減少。而通過(guò)采用鋼結(jié)構(gòu)，可有效提高各樓層之間凈高效果。其次，鋼結(jié)構(gòu)建筑還具有地域應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。與其他施工結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)施工速度較快，這一特點(diǎn)對(duì)于不利于施工冬季較長(zhǎng)的西部地區(qū)來(lái)說(shuō)，優(yōu)勢(shì)非常明顯，它不但保證了施工質(zhì)量、縮短了施工周期而且還可有效減少因施工帶來(lái)的溫度等問(wèn)題。第三，鋼結(jié)構(gòu)建筑具有較好的保溫性能。北方地區(qū)冬季室內(nèi)采暖期較差，部分地區(qū)可達(dá)半年之久，引起對(duì)外墻保溫措施的要求相對(duì)較高。鋼結(jié)構(gòu)主宰與傳統(tǒng)磚墻結(jié)構(gòu)相比，其墻體通過(guò)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(shí)也有效實(shí)現(xiàn)了建筑節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)。

三、鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類

1、第一類穩(wěn)定問(wèn)題或者具有平衡分岔的穩(wěn)定問(wèn)題（也叫分支點(diǎn)失穩(wěn)）。直桿軸心受壓時(shí)的屈曲和完善平板中面受壓時(shí)的屈曲都屬于這—類。

2、第二類穩(wěn)定問(wèn)題或無(wú)平衡分岔的穩(wěn)定問(wèn)題（也叫極值點(diǎn)失穩(wěn)）。由建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到—定程度時(shí)喪失穩(wěn)定的能力，屬于這—類。

3、躍越失穩(wěn)是一種不同于以上兩種類型，它既無(wú)平衡分岔點(diǎn)。又無(wú)極值點(diǎn)，它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另—個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。區(qū)分結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型的性質(zhì)十分重要，這樣才有可能正確估量結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。隨著穩(wěn)定問(wèn)題研究的逐步深入，上述分類看起來(lái)已經(jīng)不夠了。設(shè)計(jì)為軸心受壓的構(gòu)件。實(shí)際上總不免有一點(diǎn)初彎曲，荷載的作用點(diǎn)也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構(gòu)件的性能，就必須了解缺陷對(duì)它的影響，其他構(gòu)件也都有個(gè)缺陷影響問(wèn)題。另一方面就是深人對(duì)構(gòu)件屈曲后性能的研究。

四、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)

1、失穩(wěn)與整體剛度的設(shè)計(jì)方法：軸心壓桿的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)法是采用臨界壓力求解法與折減系數(shù)法等。

2、穩(wěn)定性整體分析：穩(wěn)定分析需要從整體著眼，主要是看其桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到整體的結(jié)構(gòu)。

3、有關(guān)穩(wěn)定計(jì)算的另一特點(diǎn)：鋼結(jié)構(gòu)彈性的穩(wěn)定計(jì)算，除了需要了解結(jié)構(gòu)的整體體系外，還有另一些特點(diǎn)要引起重視。第一，進(jìn)行二階分析，這種分析法對(duì)柔性構(gòu)件尤為適用，這是由于柔性鋼構(gòu)件，其變形量大，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生了很大的影響；第二，迭加原理的應(yīng)用，這樣有利于營(yíng)利，但是在彈性穩(wěn)定設(shè)計(jì)中，則不適合應(yīng)用。這是由于迭加原理的應(yīng)能滿足并服從鋼材的胡克定律，應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系；而彈性穩(wěn)定設(shè)計(jì)不適合結(jié)構(gòu)變形很小的鋼結(jié)構(gòu)，采用非彈性穩(wěn)定計(jì)算，那么這兩個(gè)條件都不適合。

五、鋼結(jié)構(gòu)的三個(gè)設(shè)計(jì)原則

為了確保穩(wěn)定鋼構(gòu)件更好的設(shè)計(jì)且不失穩(wěn)，要注意遵循下列三項(xiàng)原則。

1、整體性原則：鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)需要考慮整個(gè)建造體系，以及整體與部分組成的穩(wěn)定性要求。

2、相一致原則：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的計(jì)算簡(jiǎn)圖與通過(guò)計(jì)算方法所依照的簡(jiǎn)圖是一致的，一致性在鋼結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定中起到十分重要作用。

3、相互配合原則：尤其是在精細(xì)構(gòu)件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與其穩(wěn)定性計(jì)算必須相互配合，使二者的計(jì)算結(jié)果相—致。

六、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中注意的問(wèn)題

1、注意強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)別。強(qiáng)度問(wèn)題是指結(jié)構(gòu)或者單個(gè)構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起地最大應(yīng)力（或內(nèi)力）是否超過(guò)建筑材料的極限強(qiáng)度，因此是一個(gè)應(yīng)力問(wèn)題。極限強(qiáng)度的取值取決于材料的特性。對(duì)混凝土等脆性材料.可取它的最大強(qiáng)度，對(duì)鋼材則常取它的屈服點(diǎn)。穩(wěn)定問(wèn)題則與強(qiáng)度問(wèn)題不同，它主要是找出外荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長(zhǎng)的狀態(tài)，從而設(shè)法避免進(jìn)入該狀態(tài)，因此.它是一個(gè)變形問(wèn)題。如軸壓柱。由于失穩(wěn)，側(cè)向撓度使柱中增加數(shù)量很大的彎矩。因而柱子的破壞荷載可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它的軸壓強(qiáng)度，顯然，軸壓強(qiáng)度不是柱子破壞的主要原因。

2、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在符合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則前提下，要保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性還需滿足以下條件：（1）鋼結(jié)構(gòu)布置必須從體系和各組成部分的穩(wěn)定性要求整體考慮，目前鋼結(jié)構(gòu)大多是按照平面體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，如桁架和框架、保證平面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，要求平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定計(jì)算需與結(jié)構(gòu)布置相一致，如增加必要的支撐構(gòu)件等。（2）實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖與結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖保持一致中層或多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架穩(wěn)定分析通常是省略的，只進(jìn)行框架柱的穩(wěn)定計(jì)算、由于框架各柱的桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用力法、穩(wěn)定參數(shù)等是依據(jù)一定的簡(jiǎn)化典型情況或假設(shè)者得出的，因此設(shè)計(jì)者要能保證所有的條件符合假設(shè)時(shí)才能應(yīng)用。

3、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在許多隨機(jī)因素的影響， 一般情況下，影響鋼結(jié)

構(gòu)穩(wěn)定性隨機(jī)因素可分成三類：物理、幾何不確定性、統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確性、模型不確定性。目前結(jié)構(gòu)隨機(jī)影響分析所處理的問(wèn)題大部分局限于確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、隨機(jī)荷載輸入這樣一個(gè)格局范圍，而在實(shí)際工程中，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，會(huì)引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著差異。所以應(yīng)著眼于考慮隨機(jī)參數(shù)的結(jié)構(gòu)極值失穩(wěn)、干擾型屈曲、跳躍型失穩(wěn)問(wèn)題的研究。

4、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題也具有相關(guān)性：在結(jié)構(gòu)整體布置中，必須考慮整個(gè)體系及其組成部分的穩(wěn)定性要求。應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)布置方案是否能夠?qū)﹁旒芄?jié)點(diǎn)提供平面外約束，這是確定桁架等桿件出平面穩(wěn)定時(shí)應(yīng)該十分注意的。例如，土耳其—體育場(chǎng)的看臺(tái)項(xiàng)蓋，桁架在荷載作用下大部分下弦桿受壓，而設(shè)計(jì)者卻把支撐設(shè)在桁架上弦平面內(nèi)，計(jì)算受壓下弦桿穩(wěn)定時(shí)，又未考慮出平面穩(wěn)定，最終導(dǎo)致頂蓋塌落。

5、借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)軟件的發(fā)展。目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面內(nèi)強(qiáng)度及整體穩(wěn)定計(jì)算可由計(jì)算機(jī)輔助完成，而由設(shè)計(jì)者對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的平面外強(qiáng)度及穩(wěn)定計(jì)算，進(jìn)行分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)，為了提高效率和提供方便，在設(shè)計(jì)時(shí)可將整個(gè)結(jié)構(gòu)按標(biāo)高進(jìn)行分解，簡(jiǎn)化成不同水平荷載作用下的多個(gè)布置形式的結(jié)構(gòu)體系來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定的計(jì)算。

七、結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)自重輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程中得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)建筑還符合國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑對(duì)提高城市建設(shè)水平有很大作用。設(shè)計(jì)者應(yīng)該注意對(duì)影響鋼的穩(wěn)定性因素進(jìn)行分析，特別是當(dāng)有組件缺陷，殘余應(yīng)力及其他不明朗因素時(shí)，設(shè)計(jì)者要小心處理。將強(qiáng)度鋼的穩(wěn)定性問(wèn)題區(qū)分開來(lái)。在設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中，設(shè)計(jì)師更應(yīng)該注意結(jié)構(gòu)構(gòu)件在設(shè)計(jì)過(guò)程中的穩(wěn)定性，要盡可能避免由于構(gòu)件的不穩(wěn)定而發(fā)生不必要的損失。

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