鋼結構設計中穩定性設計分析

尚 溫 擴

(山西省煤炭規劃設計院，山西 太原　030045)

1　概述

隨著鋼結構在建筑工程的應用越來越廣泛，人們也開始逐漸重視鋼結構的設計工作。而在鋼結構設計過程中，穩定性設計又是極為重要的工作。若是鋼結構發生失穩問題，將帶來極大的經濟損失，嚴重時會導致人們生命安全受到威脅，因此，必須嚴格把關鋼結構穩定設計這一項重要工作。

2　鋼結構穩定性的影響因素

2.1　材質的影響

首先，材質所擁有的強度將對鋼結構穩定性造成極大影響。構件強度指的是單一的一個構件或是結構處在穩定狀態之下，外界載荷作用而導致的應力是不是超出了材料所具備的極限強度值。構件極限強度值又與構件使用的原材料存在直接關聯性。由于各種材料自身的組成以及結構均存在差異，導致不同材料的強度值也有所不同。材質所擁有的質量會在很大程度上影響到鋼結構強度，也會導致鋼結構穩定性受到影響。另外，即使所使用的材料一樣，不過，因為不同的加工工藝，也會導致材料強度出現差異。鋼結構設計過程中，應當充分的考慮材料情況，確保選用的材料能夠滿足鋼結構穩定性要求。

2.2　形狀及連接方式的影響

鋼結構的形狀有所差異，所對應的重心位置同樣也會存在差異，同時，不同形狀擁有的截面也會存在差異，可以承受載荷的情況也會出現差異。連接方式同樣也能夠影響結構的穩定性，要是不同的構件之間連接位置無法相對移動以及相對轉動，構件能夠保持更好的穩定性。在眾多框架結構之中，三角形屬于最為基本的形狀，而且具有良好的穩定性，使用的材料也相對少。

2.3　支撐面積的影響

結構的支撐面積較大，則會表現出更加穩定的性質，而結構支撐面積較小，則會出現不穩定的問題。我們常見的大壩一般均會將其設計成為梯形結構，這主要是為了增加支撐面積，從而確保結構更加的穩定。

另外，對于鋼結構穩定性的影響因素之間，通常都是緊密相關的，在進行設計過程中，要求應當全面的分析不同因素對結構具體影響情況，同時也要結合一些自然因素，比如，臺風因素、地質災害因素等等。

3　鋼結構失穩類型分析

3.1　穩定分岔失穩

對于軸心受壓的構件來說，當構件端部位置承受的載荷作用還沒有達到特定極限情況時，依舊可以確保自身維持直立的平衡狀態，此時建筑構件所承受到的應力屬于均勻分布的，沿著構件軸線方向上僅僅會發生壓縮變形。而要是外界載荷作用達到了鋼結構截面所能夠承受的極限應力時，此時構件便在瞬間出現彎曲現象，使得之前構件從軸心受壓的狀態而轉化成屈曲平衡狀態，此種情況便為穩定分岔失穩。穩定分岔失穩的重要特點便是在外界載荷作用不斷增大過程中，鋼結構之前存在的平衡形式會被打破，會轉變成為和之前平衡狀態存在本質不同的全新平衡狀態，穩定平衡狀態進入到了不穩定平衡狀態。無缺陷軸心受壓構件發生的失穩問題均為平衡分岔失穩問題。

3.2　不穩定分岔失穩

當鋼結構或者是構件發生屈曲之后，要想確保構件保持平衡狀態，所受到的載荷作用要遠遠小于構件臨界載荷，此種情況下構件發生屈曲現象便為有限干擾屈曲現象。

3.3　極值點失穩

一些鋼結構屬于偏心受壓構件，當構件在塑性發展至相應程度以后，便會失去原有的穩定狀態。構件出現失穩時承受的外界載荷便是結構極限載荷，此種失穩情況是不斷漸變的，從根本上講此種失穩類型和穩定分岔失穩存在著本質區別。

3.4　跨越失穩

鋼結構失穩時不僅沒有平衡分岔點，同時也不存在極值點，當出現失穩問題時構件跳躍至另一種平衡狀態，這種情況便為跨越失穩。

4　鋼結構穩定設計的方法

現階段，在開展鋼結構設計過程中，基本上均是從平面體系作為切入點開始設計。而要想確保平面結構擁有更為優良的穩定性，應當全面的考慮結構整體布局情況，設計出更為科學與合理的支撐結構，這樣才能確保平面結構不會出現失穩問題。

4.1　靜力法

所謂靜力方法即為平衡方法，我們也稱其為歐拉方法，此種方法經常用于計算彈性系統所擁有的屈曲載荷。我們首先設定鋼結構屬于彈性穩定體系，則在這一體系之中擁有平衡分岔點，在該平衡分岔點附近便會有兩種平衡狀態存在，其一是結構的狀態完好下的平衡狀態，其二是結構出現細微屈曲狀態下的平衡狀態。而采用靜力平衡法法則是在結構出現細微屈曲狀態下的平衡狀態情況下，構建相應的分析體系以及方程組，并且進行求解的一種設計方法。要是采用靜力平衡方法計算得出的解數目超過1個，依照長期積累的經驗來看，其中最小數值便是體系所擁有的分岔屈曲載荷值。采用靜力方法進行求解僅僅可以得出體系所擁有屈服載荷大小，無法進一步明確體系處于平衡狀態之下所擁有的穩定性情況。一般情況下，對鋼結構進行設計過程中，很少對鋼結構處于平衡狀態之下的穩定性進行判斷，僅僅需要計算出鋼結構所擁有屈服載荷。因此，此種設計方法在鋼結構穩定性設計工作中的應用較為廣泛。

4.2　能量法

我們又將能量法稱作是鐵木辛柯法，其屬于近似求解的方法，利用的原理包含有能量守恒原理以及勢能駐值原理，并對體系的臨界載荷進行求解。

1)利用能量守恒原理計算臨界載荷。在鋼結構處于平衡狀態之下時，則鋼結構體系所擁有的應變能大小，和外力對體系做功的大小相同，也就是說體系保持能量守恒。體系達到臨界狀態時不同能量所對應的關系為：

ΔU=ΔW。

式中：ΔU——系統中應變能的增加量；

ΔW——外力對系統做功的增加量。

利用能量守恒原理構建出體系平衡狀態下的微分方程。

2)利用勢能駐值原理計算臨界載荷。所謂勢能駐值原理指的是當體系遭遇外界載荷作用情況下，體系的位移會出現非常微小改變，但是體系所擁有的總勢能卻能夠保持固定，也就是總勢能在保持固定的情況下，系統一直處在平衡狀態之下，所對應的計算公式為：

δΠ=0。

其中，δΠ為體系之中總勢能所擁有的一階變分，其中：

δΠ=δU+δV=δU-δW。

式中：δU——由于虛位移所導致的體系內應力發生改變，此數值一直為正數；

δW——外力的作用由于體系出現虛位移對體系做功大小，同時外力的勢能改變量δV和外力的虛功負值相同，也就是δV=δW。

如此，我們也能夠將勢能駐值的原理理解為：彈性變形體系對于所有和約束相容的虛位移，總的勢能一階變分值是0，也就是說這一體系達到了平衡的狀態。

4.3　振動法

此種方法也被稱作是動力法，采用此方法計算體系穩定問題的具體原理為：將一些非常細微的干擾作用在平衡狀態下體系之中，讓體系出現一定的振動，依照體系出現的振動狀態，來計算體系所擁有的臨界載荷大小。若是所施加載荷大小較體系極限載荷小的情況下，此時體系變形方向便會和振動加速度的方向恰恰相反，而且體系振動會在時間不斷增加的情況下而逐漸出現收斂，體系最后會趨向靜止狀態。而若是所施加載荷大小較體系極限載荷大的情況下，此時體系變形方向便會和振動加速度的方向恰恰相同，而且體系振動會在時間不斷增加的情況下而逐漸出現發散，此時體系所擁有的平衡狀態便會發生失穩。而若是體系的振動狀態屬于諧振，此時作用在體系之上的載荷變為體系屈曲載荷。

5　結語

對于鋼結構來說，承載性能很大程度上是由其穩定性所決定的，在設計過程中，只有確保采用的方法與技術合理與適宜，才可以確保設計的鋼結構不會發生失穩問題。

參考文獻：

[1]陳熙隆.鋼結構設計中穩定性問題的若干探討[J].建設科技,2017(15):58-59.

[2]李喃.淺議建筑鋼結構的穩定性設計[J].四川水泥,2017(1):87,143.