钢结构稳定性浅析

【摘要】钢结构已开始在建筑工程中得到了广泛应用，但因结构失稳破坏造成的事故也不少，而失稳破坏的原因通常是结构设计缺陷所致。此文通过对钢结构稳定性设计的概念，原则及分析方法的总结，结合工程设计实践谈谈对钢结构稳定性设计的体会。

Abstract： The steel structure has been widely used in construction， but have some accidents caused the loss of casualties and property， most of which were due to the instability failure. This article discussed the concept of stability design， the principle and methods of analysis.

【关键词】钢结构；稳定性；失稳；设计

稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对于这个问题处理不好，将会造成工程事故。钢结构失稳破坏的原因通常是其结构设计不合理，存在结构设计缺陷，要从杜绝此类事故发生，钢结构稳定性设计是主要问题。

1钢结构稳定性设计的基本概念

1）强度与稳定的区别

稳定性不是强度问题。强度是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度，它是应力问题。稳定问题则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，它是变形问题。如轴压柱，由于失稳，侧向挠度使柱中增加很大的弯矩，柱子的破坏荷载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，失稳才是主要原因。

2）钢结构失稳的分类[1]

钢结构的失稳就其性质而言，可以分为以下三类：

（1） 第一类稳定问题或者具有平衡分岔的稳定问题（也叫分支点失稳））。完善直杆轴心受压时的屈曲和平板中面受压时的屈曲均属于这一类。

（2） 第二类稳定问题或无平衡分岔的稳定问题（也叫极值点失稳）。由建筑钢材做成的偏心受压构件，在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力，属于这一类。

（3）跳跃失稳是一种不同于以上两种类型的稳定问题，它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。

2钢结构稳定性设计的原则

根据稳定问题在实际设计中的特点提出了以下三项原则，以更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定。

1）钢结构布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求。目前钢结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架。保证这些平面结构不出现平面外失稳，需要从结构整体布置来解决，如增加必要的支撑构件等。要求平面结构构件的平面稳定计算需与结构布置相一致。

2）结构计算简图需与实用计算方法所依据的简图一致[2]，当设计单层或多层框架结构时，通常不做框架稳定分析而只做框架柱的稳定计算。采用这种方法计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，应通过框架整体稳定分析得出，使柱稳定计算等效于框架稳定计算。在实际工程中，框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还可举出以下两种，即附有摇摆拄的框架和横梁受有较大压力的框架。这两种情况若按规范的系数计算，都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。

3）钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算应一致

保证钢结构的细部构造设计与构件的稳定计算相符合，是钢结构设计中需要高度注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在解决梁整体稳定时上述要求就不够了，支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。

3钢结构稳定性的设计方法

钢结构的稳定性包括整体稳定性和局部稳定性。几何缺陷和力学缺陷都是引起结构整体不稳定的因素。几何缺陷和主要是初始的弯曲和初始偏心影响的。力学缺陷主要是残余应力影响的。稳定性不能孤立的考虑单个构件，还要考虑相邻构件对其影响。局部屈曲不一定导致整体结构承载能力的丧失，但却影响着整体稳定的临界力。

钢结构稳定问题的分析都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与结构或构件失稳时出现的变形相对应。结构变形与荷载之间呈非线性关系，稳定计算属于非线性几何问题，采用的是二阶分析方法。结构体系、构件的长度、连接方式、截面的性状尺寸、残余应力的分布以及外荷载作用等一系列的条件都将影响稳定计算的结果。稳定计算所确定的不论是屈曲荷载还是极限荷载，都可视为所计算的结构或构件的稳定承载力。稳定计算不能应用应力的叠加原理[3]，可以应用叠加原理的构件必须满足一下两个条件，意识不存在材料的非线性，二是不存在几何非线性。而弹性稳定计算不符合第二个条件，非弹性稳定计算两个条件都不符合。

压弯构件整体稳定性验算分为平面内稳定性验算和平面外稳定性验算。平面内失稳-压弯构件在弯矩和轴线压力共同作用下，可能在弯矩作用的平面内发生整体的弯曲失稳。其受力条件相当于偏心压杆。平面外失稳-开口截面压弯构件的抗扭刚度和弯矩作用平面外的抗弯刚度通常都不大，当侧向没有足够支承以阻止其产生侧向位移和扭转时，构件可能因弯扭屈曲而破坏。

4钢结构稳定性设计的几点体会

1）目前钢结构设计多借助钢结构计算机软件进行结构受力计算，结构和构件的平面内强度及整体稳定计算可依靠程序自动完成，结构和构件的平面外强度及稳定计算，需要设计者另做分析、计算和设计。此时可将整个结构按标高分解成多个不同布置形式的结构体系，在不同的水平荷载作用下，进行结构体系的强度和稳定计算。

2）受弯钢构件的板件局部稳定有两种方式：一是以屈曲为承载能力的极限状态，并通过对板件宽厚比的限制，使之不在构件整体失效前屈曲；二是允许板件在构件整体失效前屈曲，并利用其屈曲后强度，构件的承载能力由局部屈曲后的有效截面确定。对于不考虑屈曲后强度的梁局部稳定，可对梁设置横向或纵向加劲肋，以解决梁的局部稳定问题，加劲肋按《钢结构设计规范》规定设置；对于组合梁腹板考虑屈曲后强度的计算按《钢结构设计规范》第4.4规定执行。

3）轴心受压构件和压弯构件局部稳定有两种方式：一是控制翼缘板自由外伸宽度与其厚度之比；二是控制腹板计算高度与其厚度之比。对于圆管截面的受压构件，应控制外径与壁厚之比，加劲肋按《钢结构设计规范》第5.4规定设置。

5 结语

在实际设计中，应加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计，克服结构设计缺陷，以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。

参考文献：

[1]夏志斌，潘有昌结构稳定理论.高等教育出版社.1988.11-12

[2]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南.中国建筑工业出版社，1995

[3]朱步范，罗建华.钢结构稳定性设计计算要点.新疆石油科技.l998年第3期（第8卷）

[4]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].