鋼結構設計中穩定性研究與探析

趙巍　趙超

摘 要：在現代許多鋼結構的建筑當中，鋼結構穩定性較差的情況非常常見。這不僅給施工的過程帶來巨大的風險及安全隱患，而且還可能會出現重大的經濟損失以及人員損傷情況。目前建筑領域已經對鋼結構穩定性設計給予高度重視，這也是該行業的發展趨勢，完善鋼結構設計中的穩定性，可以在節約資源的同時保障工程的施工質量。

關鍵詞：鋼結構；設計穩定性

1 鋼結構穩定性的相關概念

1.1 穩定性的概念與分類

所謂鋼結構穩定性一般來說，指的是在建筑中鋼結構經過外界擾動后恢復到最初平衡狀態的性能。同樣的道理，與之相對的屬性即失穩，也就是建筑結構因外界擾動而自最初的平衡位置移動到其他位置。通常而言，我們把失穩分為三種類型。第一種類型指的是直桿、圓環和窄梁的軸心受到壓力出現的分支點失穩現象，主要是由于平衡分岔而起的問題，所以學術上又叫分支點失穩；第二種類型則并非由平衡分岔引起的失穩問題，而是極值點失穩，在實際建筑中，往往把此類失穩轉化為分支點失穩進行處理；第三種類型是躍越失穩，這種失穩類型不同于上述兩種類型，躍越失穩是指在一種平衡狀態受到破壞后直接進入到另外一種平衡狀態。

1.2 鋼結構穩定性的影響因素

鋼結構穩定性包括兩方面內容，一方面是指鋼結構體系的穩定性，另一方面是指鋼結構構件自身的穩定性。影響鋼結構穩定性的因素比較多，其中較為主要的是結構體系、構件。在鋼結構體系中，其支撐體系對結構體系穩定性影響最大，比如柱間支撐，屋架的上弦水平支撐、下弦水平支撐以及垂直支撐等。對于鋼結構構件自身來說，構件的長度、截面特征、材料強度等都會影響其結構的穩定性。

2 鋼結構的穩定設計的特點

2.1 整體剛度與失穩

鋼結構的穩定承載力直接影響著鋼結構的剛度，鋼結構的剛度與鋼結構的整體構成也有著密切的聯系。所以，鋼結構的整體質量是鋼結構穩定決定的。

2.2 鋼結構的穩定性

由于鋼結構的組成部分影響著整個結構整體，在實際生活中具體處理穩定問題的過程中，要以整體為基礎。

2.3 鋼結構穩定性的相關性

鋼結構穩定性的相關性是指結構在整體布置的過程中，要全面考慮整體布置及其中組成部分的局部穩定性。

3 鋼結構穩定設計的原則

3.1 鋼結構整體與局部的穩定性

在對鋼結構進行設計時，一般是以平面體系為出發點，在設計的過程中，要注意構件之間的協調性，還要對框架設計進行優化。在平面結構中，為了防止平面失穩現象的發生，設計人員必須從結構整體布局的角度出發，有針對性的對支撐構件進行優化以及改進。在設計時，要以保證平面結構布置以及穩定性計算滿足要求原則。

3.2 結構計算和構造設計一致

對于不同的節點連接應設置不同的剛度和柔度，桁架節點應盡量減少桿件偏心。但是涉及穩定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。處理梁整體穩定時要求不動鉸支座的阻止位移和梁繞縱軸扭轉，同時允許在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。掌握鋼結構穩定性相關的基本概念可以加強了解穩定設計的薄弱環節，明確設計中應該注意的問題。

4 建筑工程中鋼結構設計要點

4.1 荷載設計

在設計過程中，要將對稱結構作為主要結構，盡量保證結構不發生扭轉，為剛度連貫性并且保持穩定的變化提供保障。將鋼結構設計為L、T兩種形態能夠將鋼結構作用發揮出來；將鋼結構布置在結構外圍，能夠在很大程度上提升整體結構抵抗扭曲與變形的能力。為了保證鋼結構具有良好的穩定性，施工人員應該嚴格遵照設計規范開展工作；在扭轉上，設計師要重視影響水平承載力的多種問題。

4.2 穩定性設計

為了保證建筑工程具有良好的穩定性，需要進一步加強鋼材質量的檢查與測試。在實際工作中，將設計方案作為參考，分析鋼結構整體的框架，對臨界值進行確定。在對彈性穩定進行計算的過程中，需要重視結構的整體性與其它特點。例如二階分析，該種分析對于柔性構件而言，具有十分重要的作用，由于柔性構件容易受力產生形變，對結構內力的影響比較大，再如迭加原理，只能在應力問題上應用，不適用于彈性計算。

5 建筑工程中鋼結構穩定性的分析方法

鋼結構穩定性的分析方法主要是針對在外部荷載作用下鋼結構出現變形的情況下進行的，這種變形應當和所研究的鋼結構穩定性失衡時導致的變形所對應。常用的對鋼結構穩定性進行分析的方法主要有以下幾種。

5.1 平衡法

平衡法也稱中性平衡法或者靜力平衡法，這是一種最基本的計算鋼結構穩定極限荷載的方法。對于有平衡分岔點的彈性穩定問題，在分岔點的附近會存在兩個相對比較臨近的平衡狀態，其一是原結構的平衡狀態，其二則是已經出現微小變形的結構的平衡狀態。而平衡法就是依據這一已經產生微小變形后結構的受力條件而建立的平衡方程來求解的，如果通過計算得出的解不止一個，則當中的最小值才是該結構的分岔屈曲荷載。

5.2 動力法

在平衡狀態下的鋼結構體系，如果受到來自外界的微小干擾時，很容易會發生振動現象，此時就需要采用動力法來分析鋼結構的穩定性。具體而言，當鋼結構的荷載小于穩定的極限值時，鋼結構的變形方向和加速度方向正好相反，因此，當外界干擾撤銷之后，運動會逐漸靜止，此時鋼結構的平衡狀態是穩定的；而當鋼結構的荷載大于穩定的極限值時，鋼結構的變形方向和加速度方向正好相同，因此，當外界干擾撤銷之后，運動依然會持續，此時鋼結構的平衡狀態則是不穩定的；只有鋼結構在臨界狀態的荷載才是其屈曲荷載，其可以依據振動頻率為零的條件解得，實際上，動力法是一種結構動力的穩定問題。

6 強化鋼結構設計中穩定性的主要策略

6.1 盡可能縮小不確定成分的影響

在鋼結構穩定性設計過程中，不確定成分所帶來的影響是無法規避的，但是可以靈活利用一些技巧來縮小不確定成分的影響力。根據邊界條件以及荷載的具體分布情況，通過附加桿件的科學設置以及支撐點對結構施加預應力，有效提升鋼結構設計的穩定性。

6.2 科學使用梁—柱單元理論

梁—柱理論在鋼結構穩定性設計中，是最基本也是最為重要的。這就表示，必須對鋼結構工程的場地、施工材料以及設計方案等諸多有關事宜進行深入考察，結合梁—柱單元理論，對鋼結構設計當中的細部構造、構建之間的穩定性、整體構造以及組成部分之間的穩定性等多重因素進行深入分析，實現提升鋼結構設計穩定性的目標。

6.3 構建完善的預張拉結構理論體系

對于整個鋼結構穩定性的設計過程而言，預張拉結構理論體系是不容忽視的關鍵所在。在構建了科學完善而且合理有效的預張拉結構體系之后，在此理論體系的協助下，對預張拉結構進行深入研究，所得出來的結果必定是準確科學的，這樣也能夠從根本上有效提升鋼結構的穩定性。

7 結束語

總而言之，建筑物鋼結構穩定性的設計關乎廣大人民群眾的生命及財產安全，相關部門要重視，通過全新的方式及理念，保證鋼結構的穩定性及安全性，從而促進我國建筑事業的發展。

參考文獻：

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