解析影響鋼結構穩定性設計的一些因素

程博

（廣東省建筑設計研究院　廣東　廣州　510010）

解析影響鋼結構穩定性設計的一些因素

程博

（廣東省建筑設計研究院廣東廣州510010）

本文主要對于影響鋼結構穩定性設計的因素進行研究以及說明，首先對鋼結構發軔相關內容進行介紹，包括其定義以及失穩種類，接著對鋼結構的特點以及原則給予詳細的研究以及說明，著重對影響鋼結構問題的因素進行探討，并且還提出了加固鋼結構的方法，最后對全文進行總結，提出提升鋼結構穩定性的發展方向。

鋼結構；穩定性；設計；影響因素

1　引言

隨著社會經濟的不斷進步與發展，鋼結構的體系和規模相應也得到了快速的發展。同時伴隨著逐年不斷增多的鋼結構工程項目，業內對于鋼結構理論的建筑使用設計也日益體系化和科學化。與以往傳統的建筑材料相比，鋼結構具有施工時間較短、重量較輕、強度較高等特點，并且可以達到省碳節能減排的作用。由此，在建筑工程當中，建筑鋼結構被廣泛的應用。不過，雖然鋼結構具有許多的優點，然而對其穩定性的控制卻也是鋼結構在規劃設計中需要不斷解決的重要問題。為此，本文將對一些影響鋼結構穩定性設計的相關因素進行了解與分析。

2　鋼結構的穩定性

2.1概念

結構的穩定是指，在有外界擾亂的狀況下，設計出來的結構是否依然保持最初的平衡狀態，以避免危險的發生。相反，失穩是指，在有外界擾亂的情況下，在結構上出現了一些失衡的現象，最初原始的狀態被改變。

2.2失穩的分類

①分支點失穩，即平衡分岔的穩定性能情況，軸心受壓，圓環、直桿、窄梁因此都有可能出現分支點失穩的現象。②極值點失穩，即無平衡分岔的穩定情況，相對來說此種現象較為普遍，經常出現在鋼結構設計當中，一般情況下，在實際具體操作中會把極值點失穩轉換為分支點失穩來進行相應處理。③為跳躍失穩，它與極限點失穩、支點失穩均不相同，因為它的穩定狀態被破壞以后會進入一種全新的穩定性狀態。以下兩幅圖分別是支點失穩（圖1）以及跳躍失穩（圖2）的相關展示。

圖1　分支點失穩（ABO為荷載側移曲線）

圖2　跳躍失穩

3　鋼結構穩定設計的特點及其原則

3.1特點

鋼結構中的穩定性問題，這主要是通過在鋼結構設計當中來體現出來的。當要對鋼結構中的一些受壓部位進行規劃設計時，要特別注意對鋼結構穩定性的研究與探討，相反，對于那些不受壓的部位，它們在使用的過程中會出現一定的不同程度的變形，這種狀況會使得原本不受壓的部位卻又轉變成為受壓的部位，從而引起了鋼結構的失穩狀態。通過這種現象，我們發現，在鋼結構的穩定性設計當中，要特別注意多方面的因素，因為其具有多樣性的特點，同時鋼結構的失穩也具有整體性的特點，即當其中的一個部件失穩后產生變形情況，也會相應的使它內部其它的連接部件受到影響而逐漸的也處于失穩當中，因為鋼結構主要是通過相應的連接方式從將鋼材料重新進行分化組合，如果其中的某種結構存在系統性的缺陷，那么毫無疑問局部也會影響到整體的性能，使得相關性會表現的更加明顯，由此這就會導致分析局部及整體之間的關系也更為復雜多變。

3.2原則

3.2.1考慮局部和整體的穩定性

鋼結構的穩定性是基于平面體系進行設計的，在實際的鋼結構設計過程當中，首先要以平面體系為依托，接著再繼續設計桁架及框架等，這種模式的設計方式存在一些難以預料的不確定因素，所以如果要想減少其對鋼結構穩定性的影響與制約，那么就要在充分考量鋼結構整體布局的前提基礎下，設計出具有更強、更好、更具體、更有針對性的支撐結構，也就是說要將鋼結構的局部穩定性與整體穩定性進行統籌考慮，確保平面的穩定性與相應的平面構件模式布置相統一，繼而提高鋼結構的穩定性。

3.2.2保證使用結構計算簡圖和計算簡圖一致

大多數設計人員在進行單層與多層框架結構設計時候，經常是直接的去計算框架柱的穩定性能，而并不是直接對框架的穩定性能進行規劃分析。使用這種方法計算框架柱的穩定的時候，是需要通過分析框架柱的整體穩定才能得到柱計算長度的系數，由此才能確保柱穩定計算等于框架穩定計算，可是，框架的種類多種多樣，在實際真正設計的過程中，設計人員為了簡化計算工作，也是可以另外設置一些典型條件，在具體實踐中，在依附有搖擺拄的框架以及橫梁受有比較大的壓力的框架的情況之下，框架計算簡圖與其所使用的方法、所依據的簡圖是并不一致的，假如按照原本規范的系數進行邏輯計算，那么都會產生一些不安全的后果。

4　影響鋼結構的穩定性因素

4.1構件承載強度影響

構件承載強度會影響鋼結構的穩定性能，而其中的截面特征、構件材料的應力等，都有可能會對鋼結構的穩定性具有不同的影響。此外鋼的整體結構的抗彎曲性能與支撐性能對其本身也有一定的制約影響，由此設計建模也要對對結構進行充分的分析，具體考慮各種因素，如數學模型、所提假設、邊界條件、技術水平對其的影響，再者，影響鋼結構穩定性能的其他重要因素還有實際承載力與計算的理論值之間出現的差別，因此，各研發人員在穩定性的設計時，這些影響因素都必須要被充分的考慮。

4.2穩定設計理論的影響

①對于鋼結構本身而言，其穩定性理論并不是完美無缺的，而在日常工作設計中，研發人員卻是盡量的從完善的角度出發的，因此來說很多的隨機因素并沒有被參考進去，這樣以來就會對穩定性造成一定的影響。具體到實際的工程施工當中，由于有限于鋼結構參數的不確定性，從而會導致響應上出現差別，所以，在鋼結構的穩定性設計的時候就應該著手于考慮隨機參數的干擾型屈曲與結構極值失穩以及跳躍型失穩等問題的分析研究。②在鋼結構穩定性設計中最大的問題是結構設計中如何反映彎矩和軸力的禍合效應。在大的跨度結構設計當中，設計者經常會選取一個相對來說比較穩定的安全系數，但這并不是一定就能夠看出網殼結構其自身真正的受力狀態，所以，在結構體系的穩定設計理論還不是非常完善的情況之下，局部與整體之間的穩定性作用關系還是值得我們去研究的。

5　加固鋼結構

5.1對結構計算圖形進行改變以加固鋼結構

這種鋼結構加固方式主要是將邊界條件、荷載分布狀況、節點的性質和傳力途徑進行適當改變，以期增加一些輔助性質的桿件和支撐性質的結構來進行加固。在結構計算圖形當中適當增加輔助桿件和支撐力度，不但能夠幫助結構調整自振頻率、增強剛度，而且還能夠幫助結構增加自身的空間結構等，并通過核算功能使得鋼結構穩定性的動力獲得提高。同樣，這樣還能夠減少鋼結構的長細之間的對比，使得鋼結構的穩定性能更強。比如，在排架結構當中，完全可以通過增加柱本身的剛度，在減少柱負荷的條件下提高柱的承受能力，使結構更具有穩定性。

5.2減輕和改變荷載分布以加固鋼結構穩定性

這種方式是通過改變受彎桿件的荷載能力，單獨將一個端部支撐荷載的承受，轉變成為一個有多個端部支撐荷載承受進行加固的模式。比如，要將鉸接轉變成為鋼接的方式，就要在支座的中間單獨連接結構轉變成為連續連接結構，并且要對支座的位置進行有序調整，同時還可以繼續將結構轉變為撐桿結構方式，并增加預應力拉桿以取得施加預應力，此外在選取截面進行加固時，特別要注意截面的形式必須要更具實際加固損傷使得其滿足加固的要求，這樣才能使鋼結構更加穩定。

5.3加固固件連接

這種方式是通過采用普通、焊縫或其他高強度的螺栓等方式將鋼結構進行連接加固。在加固連接鋼結構的時候，必須要根據實際的工程鋼結構情況需要進行加固。比如在對鋼結構加固的目的、鋼結構實際的受力情況等進行分析之后，才能夠真正確定固件連接方式。具體來說：①要改變過去的那種單純以鋼材性能為主的技術標準，今后需要集強韌性、焊接性、塑性等性能為一身，爭取在綜合性能上實現深度的提高。②要對低合金鋼進行推廣，廣泛發展耐蝕、耐火、高韌、高強等多種鋼材種類，盡可能的實現鋼材種類的多樣性的發展。③因為東部沿海省份高強、高韌性能的鋼材在實際生活中應用上還比較廣泛，西部等偏遠地區卻對普通鋼材的需求比較廣泛的現實需求，因此應當依據實際情況具體分析，真正做到鋼材的生產加工與社會的經濟發展水平上統籌協調的發展。

6　結束語

綜上所述，隨著社會經濟不斷迅猛的進步與發展，相應的我國的建筑行業也在不斷的發展中飛速向前。同時建筑的安全性也必須更應該引起我們建筑師的關注。在這之中，鋼的穩定性設計并不僅僅是簡單的將建筑付諸于施工過程階段即可，它其實是一項責任非常艱巨的工作，因為這將直接影響到人民的生命、安全及建筑工程項目的經濟效益。因此，在建筑工程施工中，承辦鋼結構穩定性設計的單位和相關技術人員需要采用較新的方法及思維，以保證在建筑工程中鋼結構的穩定性和安全性。確保鋼結構項目工程施工的質量，使得具體從事鋼結構設計的工作人員在進行各自的設計時嚴格遵守相關的章程規劃來進行設計，并且要積極的對工程質量的實際情況進行具體詳細的理解和解析，進而提高鋼結構的穩定性能，這將是促進我國鋼結構工程工業快速穩定發展的有效途徑。

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[2]蔣亞軍.鋼結構穩定設計初探[J].中國高新技術企業，2013（8）：23～29.

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TU318

A

1673-0038（2015）29-0017-02

2015-7-3

程博（1989-），男，碩士研究生，主要從事結構工程研究、建筑結構設計等相關工作。