基于鋼結構設計中的穩定性問題分析與探討

【摘要】本文首先概述了鋼結構的穩定性問題，然后提出了在鋼結構穩定設計中應該明確的一些基本概念，最后對新型鋼結構穩定性問題進行了深入的探索研究。在此提出了自己的一些觀點和見解，可供同行參考。

【關鍵詞】鋼結構； 結構穩定； 結構設計

一、前言

近年來，我國建筑行業不斷發展，建筑質量問題已經成為關系到人們生活舒適度和安全程度的重要問題。在現在的一些建筑施工過程中，由于施工的技術問題、材料選擇問題以及管理水平不到位等問題導致建筑鋼結構設計過程中不穩定，影響了建筑質量，此類問題函待解決。

二、鋼結構穩定性的基本概念分析

1、穩定與強度的不同之處。

所謂強度問題，指的是在穩定平衡狀態下的單個構件或者結構，施加外荷載而引發的最大應力時，是否突破了建筑材料的極限強度，從這個角度來講，是一個應力問題。穩定問題則與之有著很大的區別，穩定問題的重點在于找出結構內部抵抗力與外部荷載間的不穩定平衡狀態，主要包括變形開始急劇上升的狀態，并使自身盡量避免進入該狀態區域。由以上的分析可知，穩定問題屬于變形問題。

2、鋼結構失穩的類型。

第一類鋼結構穩定問題也叫做平衡分岔的穩定問題，也被稱為分支點失穩。例如，完善平板中面受壓時的屈曲以及完善直桿軸心受壓時的屈曲，都可以歸入此類中。第二類鋼結構穩定問題也叫做無平衡分岔的穩定問題，也被稱為極值點失穩。例如，一些材料為建筑鋼材的偏心受壓構件，當其塑型發展到某種程度時，就會失去穩定的能力。躍越失穩：這種失穩類型明顯不同于以上所提及的兩種類型，躍越失穩既沒有極值點，也不存在平衡分岔點，而是在穩定平衡喪失之后接著進入下一個穩定平衡狀態。

三、影響鋼結構的穩定性設計的因素

雖然鋼結構體系在很多工程中得到了廣泛的應用，但是要想取得進展，在鋼結構穩定性設計這一方面還需要注意一些問題。

1、在鋼結構穩定性設計的研究中存在著多種不確定影響，像材料的力學性能、幾何變形和初始變形。此外在確定與穩定性有關的幾何量及物理量時，主要是根據以往的經驗來分析，沒有結合具體的情況進行細致的分析，這也是不確定性的影響。

2、鋼結構穩定性設計中，需要注意整體穩定與局部穩定的關系，特別是一些大跨度的夠結構。雖然根據以往的經驗可以確定整體穩定與局部穩定之間的安全系數，但是沒有結合具體的工程情況，來確定一個較為科學的安全系數，是不能夠真實反映整體穩定與局部穩定兩者之間關系的。

3、鋼結構穩定性設計中的另一個重要體系就是預張拉結構體系，以往的預張拉結構體系的理論都不是很完善，沒有一個完整合理的理論體系來分析預張拉結構中的穩定性，在工程應用中依然采用的是先前的理論體系，因此需要建立一個完善科學的預張拉結構體系理論。

4、在鋼結構穩定性設計中，梁與柱的穩定性設計也是一個重要環節，因為梁和柱是整個鋼結構體系中最為基礎的部分，如果梁和柱的穩定性沒有保障，更不用談整個鋼結構的穩定性，因此需要注意梁和柱的穩定性和了解兩者之間的力學效應。

四、鋼結構設計的主要原則

根據筆者多年的工作經驗，保證鋼結構在設計中的穩定主要包括三方面的原則。

1、鋼結構布置時，應考慮各個環節的穩定性要求

目前的結構大多數是按照平面體系來設計的，如桁架和框架都是如此。為了令這些平面結構不致出現平面失穩，需要從結構整體布置來解決，亦即設計必要的支撐構件。這就是說平面結構構件的出平面穩定計算必須和結構布置相一致。

2、結構計算簡圖和實用計算方法相一致

目前在設計單層和多層框架結構時，經常不作框架穩定性分折，而是代之以框架柱的穩定計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩定時用到的柱計算長度系數，應通過框架整體穩定分析得出，才能使柱穩定計算等效于框架穩定計算。然而，實際框架多種多樣，而設計中為了簡化計算工作，需要設定一些典型條件 GB 50017-2003 規范對單層或多層框架給出的計算長度系數采用了五條基本假定，其中包括“框架中所有柱子是同時喪失穩定的，即各柱同時達到其臨界荷載”

3、細部構造和構件的穩定計算方法相符合

結構計算和構造設計相符合，一直是結構設計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節點應盡量減少桿件偏心這些都是設計者處理構造細部時經常考慮到的。但是，當涉及穩定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩定分析所采取的邊界條件。

五、鋼結構加固方法

鋼結構加固的主要方法有：減輕荷載、改變結構計算圖形、加大原結構構件截面和連接強度、阻止裂紋擴展等。當有成熟經驗時，亦可采用其它加固方法。

1、改變結構計算圖形。改變結構計算圖形的加固方法是指采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節點性質和邊界條件，增設附加桿件和支撐、施加預應力、考慮空間協同工作等措施對結構進行加固的方法：（1）對結構可采用下列增加結構或構件的剛度的方法進行加固：（2）增加支撐形成空間結構并按空間結構驗算；加設支撐增加結構剛度，或者調整結構的自振頻率等以提高結構承載力和改善結構動力特性；（3）增設支撐或輔助桿件使結構的長細比減少以提高其穩定性；（4）在排架結構中重點加強某一列柱的剛度，使之承受大部分水平力，以減輕其它柱列負荷；（5）在塔架等結構中設置拉桿或適度張緊的拉索以加強結構的剛度。

2、對受彎桿件可采用下列改變其截面內力的方法進行加固。（1）改變荷載的分布，例如將一個集中荷載轉化為多個集中荷載；（2）改變端部支承情況，例如變鉸接為剛結；（3）增加中間支座或將簡支結構端部連接成為連續結構；（4）調整連續結構的支座位置；（5）將結構變為撐桿式結構；（6）施加預應力。

3、對桁架可采取下列改變其桿件內力的方法進行加固。（1）增設撐桿變桁架為撐桿式結構；（2）加設預應力拉桿。

4、加大構件截面的加固。采用加大截面加固鋼構件時，所選截面形式應有利于加固技術要求并考慮已有缺陷和損傷的狀況。

5、連接的加固與加固件的連接。鋼結構連接方法，即焊縫、鉚釘、普通螺栓和高強度螺栓連接方法的選擇，應根據結構需要加固的原因、目的、受力狀況、構造及施工條件，并考慮結構原有的連接方法確定。鋼結構加固一般宜采用焊縫連接、摩擦型高強度螺栓連接，有依據時亦可采用焊縫和摩擦型高強度螺栓的混合連接。當采用焊縫連接時，應采用經評定認可的焊接工藝及連接材料。

六、結束語

筆者在本文中結合自己的多年工作經驗，對鋼結構穩定性強度和穩定度的區別進行了分析，對失穩的類型進行了說明，并且探討了鋼結構穩定性設計的原則要點，對如何加固提出了筆者自己的看法，希望筆者在本文中的研究可以應用到今后的建筑施工中去。

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