淺析鋼結構穩定性設計

摘 要：本文從鋼結構穩定設計的失穩的類型、穩定計算的影響因素、穩定與強度的區別、穩定設計的原則和穩定設計的特點等方面進行闡述，提出了鋼結構體系穩定性研究中存在的問題，為設計人員更好地完成鋼結構的穩定設計提供了科學合理的建議。

關鍵詞：鋼結構；穩定性設計；失穩

1 引言

與傳統的鋼筋混凝土結構相比，鋼結構具有施工工期短、工程成本低、抗震強度高、節省空間等優點。隨著建筑施工技術的發展，高強度鋼材大量的投入應用，使鋼結構體系的廣泛應用和發展成為現實。與此同時，伴隨著鋼結構日益發展的同時其設計存在的問題也日益增多，穩定性是一個突出問題。在鋼結構設計中，穩定性是目前大量結構設計時有待解決的關鍵問題，一旦發生類似于這方面的問題，經濟和人員都會受到很大的影響。所以，依據實際情況對鋼結構的“穩定性”設計和研究具有十分重要的現實意義。

2 相關基本概念

2.1 失穩類型

（1）“平衡分岔失穩”： 一般情況下，在相同的荷載點上，鋼結構構件會出現平衡分岔的現象。依據鋼結構構件在受載屈曲后的“F—S”變化曲線的差異，這一類型的失穩又可以再分成不穩定和穩定分岔失穩兩種類型。

（2）“極值點失穩”： 具有極值點失穩的構件其“F—S”曲線上只能體現出極值點，不會出現所謂的分岔點，其彎曲變形性質也沒有變化。

（3）“躍越失穩”：這一類型的失穩不存在平衡分岔點，也不存在極值點。都是在當其喪失穩定平衡之后又變化為另一個穩定平衡狀態，這點和不穩定分岔失穩有相似之處。正因如此，要正確計算結構的穩定承載力，必須得能準確區分結構的失穩類型。

2.2 影響因素

在鋼結構實際設計中大多情況都是將其視為完整的結構體系。其中，鋼結構穩定計算的主要影響因素有以下幾個方面：

（1）統計的不確定性：在相關物理量和幾何量取值時，具有一定的經驗性。

（2）模型的不確定性：為了便于結構分析，簡化分析的難度，在分析時提出的各種假設和模型，以目前的技術水平難以在計算中體現的各種因素，致使實際值和理論值的差異，都屬于模型的不確定性的范疇。

（3）幾何、物理不確定性：比如桿件尺寸、力學參數、初始變形、截面積等。

2.3 強度與穩定的區別

在進行鋼結構軸心受力構件的強度和穩定計算時，僅與其凈截面面積有關，體現了構件或者結構由受力所引起的最大應力，當其處于穩定平衡狀態下是否超過了材料的極限強度；穩定性計算的研究對象是整個結構體系，可以用歐拉公式進行計算，在彈性范圍內構件的臨界力的具體數值，所以不是個別截面的問題。

2.4 鋼結構穩定設計的原則

在鋼結構穩定性設計時，應遵循的原則如下：

（1）“結構的計算簡圖、實用的計算方法所依據的簡圖要對應”：進行設計時的設計依據要相互協調一致，不能出現有出入和嚴重矛盾的地方。

（2）“構件與細部構造必須相互協調，二者具有一致性”：鋼結構中，節點的連接是非常關鍵的問題，應分別賦予它足夠的柔度和剛度，在設計桁架節點時，應盡量避免桿件偏心受力現象，作為設計人員，這些方面都必須考慮到。

（3）“整體的布置，必須要考慮到整體和局部的穩定性要求”：要想讓平面結構體系不出現失穩現象，就必須從結構整體布置來做研究，考慮設置必要的支撐構件。

2.5 鋼結構穩定設計的特點

（1）剛度與失穩：在現行規范中，臨界壓力求解法和折減系數法是軸心壓桿的穩定計算法。

（2）整體性分析：穩定性分析必須從整體入手，全面考慮。桿件承受荷載時，其否能保持穩定將直接關系到結構的整體穩定。

3 鋼結構穩定性研究中存在的問題

雖然目前鋼結構的體系穩定性研究取得了一定的進展，但是，也存在著一些不可忽視的問題，具體如下：

（1）網殼結構：“研究中占主流的“梁-柱”單元理論，在實際情況下是否能夠真實反映網殼結構的受力狀態還有待進一步的驗證，目前，存在的主要問題是“采用什么方式來體現出彎矩與軸力的耦合效應”。”

（2）大跨度結構：“結構的局部穩定和整體穩定的相互之間到底存在怎么樣的一個的關系，是一個值得花費大量精力去探討的問題，目前，在絕大多數的大跨度結構設計中，設計人員為簡便計算，通常是取一個統一的穩定安全系數，但實際上并不能真實的反映出局部和整體之間的關聯性。”

（3）預張拉體系：對于預張拉結構體系的穩定性，目前為止，還沒有合理的理論體系能分析。

（4）隨機因素的影響：“當前，鋼結構隨機因素的影響分析所面對的問題大多數僅僅局限于所確定的隨機荷載的輸入和結構分析參數，在考慮隨機因素的影響時，因為結構分析參數存在的不確定性，引起結構響應的顯著差異是很普遍的現象。”

4 結語

鋼結構穩定性是一個比較復雜的問題，特別是當構件存在殘余應力、非線性因素和初始缺陷等影響因素時，使其研究難度更大。除此之外，在鋼結構穩定性的研究中，目前還存在著許多尚未解決的問題。例如： 大跨度大空間的網殼、薄殼、橋梁和超高層建筑結構的雙重非線性動力穩定性等問題。只有更深一步的把這些問題難關克服，才能不斷地完善鋼結構穩定設計理論。

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作者簡介：王曉燕（1985-），女，永城職業學院，研究方向：工程施工、工程經濟。endprint