提高钢结构稳定性设计措施分析

【摘要】：钢结构一旦失去稳定会最终导致其失去承载能力，从而造成结构构件甚至整个结构的破坏，带来较大的经济损失甚至威胁到人员的生命安全，故应引起设计人员的注意，本文以下内容将对提高钢结构稳定性设计措施进行研究和探讨，以供参考。

【关键词】：钢结构；稳定性；设计措施

中图分类号：TU391文献标识码： A

1、前言

在荷载的作用下，钢结构的外力和内力必须保持平衡，但平衡状态有稳定和不稳定之分，当为不稳定平衡时，轻微扰动将使结构或其组成构件产生很大的变形而最后丧失承载能力，这种现象就称为失去稳定性，在钢结构工程事故中，因失稳导致破坏者较为常见，特别是近几十年来，由于结构形式的不断发展和较高强度钢材的应用，使构件更超轻型而薄壁，更容易出现失稳现象，因而从设计上面采取措施提高钢结构的稳定性具有非常重要的意义。本文以下内容将对提高钢结构稳定性设计措施进行研究和探讨，以供参考。

2、钢结构失稳的类型分析

根据本人多年的实践经验，认为钢结构失稳主要有如下几种类型：第一，极值点失稳。极值点失稳是指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了稳定的能力，发生失稳时的荷载值就是构件的实际极限荷载，这类的平衡状态是渐变的，与平衡分岔失稳具有本质的区别。第二，跨越失稳。跨越失稳不存在平衡分岔点，也没有极值点，是失稳发生后又跳跃到另一个稳定的平衡状态。第三，稳定分岔失稳。按照结构稳定性分析理论, 结构在达到临界状态时, 从未屈曲的平衡位形过渡到无限临近的屈曲平衡位形,即由直杆而出现微弯。此后,变形的进一步增大,要求荷载增加。直杆轴心受压和平板在中面受压,都属于这种情况。板的屈曲后强度比较显著,在工程设计中往往可以利用。第四，不稳定分岔失稳。结构屈曲后只能在远比临界荷载低的条件下才能维持平衡位形。属于这种情况的有承受轴向荷载的圆柱壳和承受均匀外布压力的外球壳, 钢结构常用的缀条柱和圆柱壳很相似。薄壁型钢方管压杆也在一定条件下表现出类似特性。这种屈曲也叫做“有限干扰屈曲”,因为在有限干扰下,在达到分岔屈曲荷载前就可能由未屈曲平衡位形转到非临近的屈曲平衡位形。

3、提高钢结构稳定性的设计措施研究

根据本人多年的实践经验，认为要提高钢结构稳定性的设计措施主要有如下几个方面：第一，改变结构计算图形。改变结构计算图形的加固方法是指采用改变荷载分布状况、传力途径、节点性质和边界条件,增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等措施对提高结构的稳定性：①在排架结构中重点加强某一列柱的刚度,使之承受大部分水平力,以减轻其它柱列负荷；②在塔架等结构中设置拉杆或适度张紧的拉索以加强结构的刚度；③增加支撑形成空间结构并按空间结构验算;加设支撑增加结构刚度,或者调整结构的自振频率等以提高结构承载力和改善结构动力特性；④增设支撑或辅助杆件使结构的长细比减少以提高其稳定性。第二，为保证梁的整体稳定或增强梁抗整体失稳的能力，在进行设计的过程中，如果梁上有密铺的刚性铺板，应使之与梁的受压翼缘连接牢固，如果没有刚性铺板或者铺板与梁受压翼缘连接不可靠的时候，则应设置平面支撑。楼盖的平面支撑有横向平面支撑和纵向平面支撑两种，横向支撑使主梁受压翼缘的自由长度由其跨长减小为次粱间距，纵向之后曾是为了保证整个楼面的横向刚度，不论有无连接牢固的刚性铺板，支撑工作平台梁格的支柱间均应设置柱间支撑，除非柱列设计为上端铰接，下端嵌固于基础的排架。所以在设计的时候，必须要会综合利用各种措施，并严格按照规范要求进行钢结构构件的稳定性加强工作。第三，当梁的支座处和上翼缘受到较大固定集中荷载处宜设置支承加劲肋。而对于梁来说应根据其高厚比的大小的不同设置横向加劲肋，而且在弯矩较大区格的受压区根据计算不同还应增加配置纵向加劲肋，而局部压应力很大的梁，必要时尚宜在受压区配置短加劲肋。其中横向加劲肋主要防止由于剪应力和局部压应力可能引起的腹板失稳，纵向加劲肋主要防止由弯曲压应力可能引起的腹板失稳，短加劲肋主要防止由局部压应力可能引起的腹板失稳。第四，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。第五，对受弯杆件可采用下列改变其截面内力的方法提高其稳定性。①调整连续结构的支座位置；②将结构变为撑杆式结构；③施加预应力；④改变荷载的分布,例如将一个集中荷载转化为多个集中荷载；⑤改变端部支承情况,例如变铰接为刚结；⑥增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构。第六，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。第七，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。第八，合理的设置支撑。这里所说的支撑有柱间支撑、屋盖支撑等。柱间支撑可以使得柱子之间组成坚强的纵向构架，保证厂房的纵向刚度，其也可以作为框架柱在框架平面外的支点，减少柱在框架平面外的计算长度。而对于屋盖支撑来说，其能够保证屋架结构有足够的空间刚度和稳定性。这是因为在没有支撑将真个屋架连成一个整体之前，仅由平面桁架和檩条及屋面材料组成的屋盖结构，是一个不稳定的体系，简支在柱顶上的所有屋架有可能向一侧倾倒，而通过支撑连接后，其成为稳定的空间体系。另外，屋盖支撑还具有避免压杆侧向失稳，防止拉杆产生过大的振动的作用。所以，在进行支撑的布置过程中，除了要根据构造要求外，还必须进行必要的计算。

4、结尾

钢结构的失稳破坏是指作用在结构上的外荷载尚未达到按照强度计算得到的结构强度破坏荷载的时候，结构已不能承担并产生较大的变形，整个结构或者结构的部分构件偏离原来的平衡位置而倒塌或者是破坏，可见在钢结构失稳的时候其在承载荷载方面仍有很大的富裕量，所以研究提高钢结构稳定性设计措施具有很高的经济价值。

【参考文献】

[1]《钢结构稳定理论与设计》陈骥等，科学出版社

[2] 《钢结构》魏明钟等，武汉理工大学出版社

[3] 《钢结构基本原理》沈祖炎等，中国建筑工业出版