钢结构设计中的稳定性分析

摘要：钢结构的稳定性设计、在各种类型的钢结构中，由于结构失稳造成的伤亡事故时有发生、为了更好地保证钢结构稳定设计中构件不失稳定，保证工程质量及使用安全，有必要对钢结构的稳定性设计进行详细探讨。

关键词：钢结构；稳定性；设计

Abstract: the stability of the steel structure design, in all types of steel structure, the structure of the casualties caused by instability accident to happen from time to tome, in order to ensure the stable structure design of steel members do not lose stability, ensuring the quality of projects and use safety, it is necessary to the stability of the steel structure design are discussed in detail.

Keywords: steel structure; Stability; design

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

随着我国国民经济的快速发展以及建筑水平的不断提高，出现了大量的高层建筑物或构筑物，这些建筑结构中广泛的运用了钢结构设计。钢结构与钢筋混凝土结构相比，具有截面轮廓尺寸小、强度高、自重轻等特点。但对于因受压、受弯和受剪等存在受压区的构件或板件，如果技术上处理不当，可能使钢结构出现失稳，一旦出现失稳事故将造成巨大的损失。因此，稳定问题是钢结构的突出问题，分析钢结构设计中的稳定性问题，研究钢结构的加固方法十分必要。

一、钢结构稳定性的相关概念

1、强度与稳定的区别

强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性，对混凝土等脆性材料，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。稳定问题则与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态，因此，它是一个变形问题。如轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。

2、钢结构失稳的分类

钢结构的失稳是多种多样的，按其平衡状态，可以分为以下三类：

(1)第一类稳定问题或平衡分岔失稳。完善的轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板的失稳、理想的受弯构件及受压的圆柱壳等的失稳都属于这一类

(2)第二类稳定问题或极值点失稳。非理想轴压或压弯构件塑性发展到一定程度时发生失稳，属于这一类。

(3)跃越失稳是一种不同于以上两种类型，它既无分支点，又无极值点，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。

区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。实际上这些失稳情况并不是完全独立的，在形式上具有多样化特点。因此，我们要真正掌握各种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响。另一方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。

3、钢结构稳定设计特点

(1)稳定性整体分析:杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体。稳定分析必须从整体着眼。

(2)稳定计算的其它特点:在弹性稳定计算中,除了需要考虑结构的整体性外,还有一些其他特点需要引起重视,首先要做的就是二阶分析,这种分析对柔性构件尤为重要,这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响；其次,普遍用于应力问题的迭加原理,在弹性稳定计算中不能应用。

(3)失稳和整体刚度:现行规范通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法和折减系数法。了解了一些在钢结构设计中应该明确的一些基本概念,有助于我们在设计中更好地处理稳定方面的问题,随着新型钢结构体系地不断发展,我们对稳定问题的研究要求也不断地提高,之所以在设计中出现结构失稳问题,另一个重要原因就是我们对新型结构稳定知之甚少,也就是目前钢结构稳定研究中存在的问题。

二、钢结构稳定设计应遵循的原则

根据钢结构设计中的稳定性问题，在实际设计时，为了使钢结构稳定设计中构件不发生失稳，以下的三项原则是必须遵守的。

1、钢结构的整体设计必须兼顾各个组成部分以及整个体系对于稳定性的特定要求。当前，我国大部分钢结构设计都是以平面体系为出发点，例如，在桁架设计与框架设计中均是如此。为了使这类平面结构避免发生平面失稳事件，必须从其结构的整体布局作为出发点，设计有针对性的支撑构件。即：必须保证平面结构构件的结构布置与平面稳定计算之间的一致性。例如，塔架由平面桁架组成，就需要在横隔设置和杆件的稳定之间多加注意。

2、在进行实用计算时，采取的简图必须与结构计算简图相符，这也是保证框架结构的稳定计算的重要条件。当前，在一些钢结构设计中，对单层和多层框架结构设计之前，以框架柱的稳定计算来替代框架稳定分析，这种方式应通过框架整体稳定分析得出框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，才能最终使框架稳定计算等效于柱稳定计算。但是随着具体设计要求的不同，为了在设计时对设计对象进行简化，一些典型条件的设置是必要的。在GBJl7-88规范中，针对框架给出的计算长度系数，有几条基本的假定条件，比如“框架中所有柱子是同时失去稳定的，即各柱同时达到其临界荷载”。在这个假定之下，在对钢结构框架进行稳定参数杆件稳定计算时，通常会将经过了简化的条件或者典型情况当作依据。这就需要设计者充分熟悉和了解所设计的钢结构是否符合简化标准或者典型条件。因此，在使用各种计算方法时，具体的设计对象与简化计算的假定前提应该相符。

3、必须满足构件的稳定计算与设计结构的细部构造之间的一致性。在钢结构的设计中，设计者都应注意使构造设计和结构计算互相匹配。对一些节点的连接，应区分其传递弯矩还是不传递弯矩，从而有针对性的赋予其它足够的刚度和柔度，在桁架节点的设计中，应在减少杆件偏心上做足功夫，这些都属于对构造细部的设计和处理，也是设计者应经常考虑到的。但是具体到钢结构的稳定性能时，具体的构造对于不同于强度的要求也有所不同，这些情况也要加以综合考虑。

三、钢结构稳定问题的分析方法

稳定问题的分析方都是针对着外在荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究结构或构件失稳时出现的变形相对应。稳定问题的分析方法有以下三种：

1、能量法

如果结构承受着保守力，可以根据有了变形的结构的受力条件建立总得势能，总的势能是结构的应变能和外力势能两项之和。能量法一般只能获得屈曲荷载的近似解，此方法用于大挠度理论分析，可以判断屈曲后的平衡是否稳定。

2、平衡法

平衡法即静力平衡法，也称欧拉方法，是计算弹性系统屈曲荷载的常用方法。假设弹性稳定体系存在平衡分岔点，那么分岔点周边存在一个状态完好结构的平衡状态和一个发生细微屈服的结构的平衡状态。静力平衡法是就发生细微屈服后结构的力学状态建立分析体系和方程组而求解的方法。若通过静力平衡法所求得的解多于一个，根据经验，数值最小的解才是结构体系的“分岔屈曲荷载”。静力法的缺陷在于只能求解出系统的屈服荷载，不能确定体系平衡状态的稳定性。而在实际的工程计算中，通常我们不需要判断结构体系平衡状态的稳定性，而只需求得结构的屈曲荷载，所以，静力法在钢结构稳定性问题的分析和计算中被普遍采用。

3、动力法

处于平衡状态的结构体系, 如果施加微小干扰使其发生振动, 这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限值时,加速度和变形的方向相反,因此干扰撤去以后,运动趋于静止,结构的平衡状态是稳定的;当荷载大于极限值时, 加速度和变形的方向相同,即使将干扰撤去,运动仍是发散的,因此结构的平衡状态是不稳定的:临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载,可由结构振动频率为零的条件解得。动力法属于结构动力稳定问题。

四、结束语

钢结构具有自重轻、强度高、工业化程度高等特点，研究分析钢结构的稳定性问题，具有非常重大的意义。努力提高我国钢结构稳定性问题的研究水平，尽量提高建筑工程质量，对于保护国家百姓的财产生命安全，都有着重要的作用。

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