钢结构稳定性设计特性分析

摘要：钢材是工程中用量最大的材料之一，它具有强度高、延性好的特点，而且质地相对均匀。在各类钢结构设计中，保持稳定性是经常遇到的问题。小至构件中的一块板件，大至构件集合成的结构体系，设计时莫不涉及到稳定性问题。其原因在于为了充分发挥钢材强度高的性能，通常使用的钢结构构件壁薄修长，构造轻巧，使得他们在压力作用下有可能失稳。对待钢结构中失稳的可能性，通常是采取加以防止的对策，使结构、构件和零件不致因为失稳而丧失承载能力。

关键词：钢结构；稳定性

中图分类号：TU391文献标识码： A

1 强度和稳定的区别

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。

2 钢结构稳定问题的特点

2.1多样性。钢结构的稳定问题普遍存在于钢结构的设计中，凡是结构的受压部分，在设计时都必须认真考虑其稳定性。轴心受压的弯曲失稳是最常见的屈曲形式，但是它并不是唯一的失稳形式，还有可能出现扭转和弯扭等多种失稳形式。此外。结构的某些部位也会随结构变形而产生压力，并导致腹板局部失稳。这些都是稳定性问题多样化的表现。

2.2整体性。对于结构来说,它是由各个构件组成的一个整体，当一个构件发生失稳变形后，必然牵动和它刚性连接的其他构件。构件的稳定性不能就某一个构件孤立地去分析，应当考虑其他构件对它的约束作用，这种约束作用是要从结构的整体分析中去确定，这就是结构稳定的整体性。

2.3相关性。指的是不同失稳模式的耦合作用。一般来说，凡是界面的型心和弯心相重合的杆件其弯曲屈曲和扭转屈曲是不会耦合的。但是当截面型心和弯心不重合时，如果是单轴对称截面，则绕对称轴失稳，弯曲和扭转会耦合，出现弯扭屈曲；绕非对称轴失稳时，不会发生扭转耦合，出现弯曲屈曲。另外，局部和整体稳定的相关性，对于存在缺陷的杆件来说，局部和整体之间相互影响则更复杂。还有格构式压杆分肢稳定和整体稳定的相关性。

2.4突然性和灾难性。失稳破坏具有突然性，具有典型的脆性破坏特征。这种丧失承载能力的过程是在没有任何先兆的情况下瞬间发生，具有突然破坏的特性。

3 钢结构设计的原则

3.1结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定要求。目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出现平面失稳，需要从结构整体布置来解决，即布置必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。

3.2结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致。目前在设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。GBJl7―88规范对单层或多层框架给出的计算长度系数 采用了五条基本假定，其中包括：“框架中所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临界荷载”。按照这条假定，框架各柱的稳定参数杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。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。

3.3设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。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这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。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。然而在处理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，同时允许梁在水平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。

4 钢结构稳定性计算特点

4.1失稳和整体刚度。现行规范通用的轴心压杆的稳定计算方法是临界压力求解法和折减系数法。实际施工的杆件，其轴线并不可能是理论直线，而具有微小弯曲。在承受逐渐增大的压力N过程中，随着N的增大，杆件的挠度液逐渐增大。杆件的刚度在临界力的状态下退化为零，杆件无法保持自稳。

4.2稳定性整体分析。既然杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体性问题，那么稳定分析必须从整体着眼。然而，当前在设计单层钢框架时，并不去计算框架本身的稳定性，而是用计算柱子的稳定性来代替。因此，应当引起注意的是，这只是一种简化方法，通过计算长度来简化分析。这种简化只是在符合一定条件时，才是精确的。

4.3解算临界荷载要求做二阶分析。一阶分析是针对未变形的结构来分析他的平衡，如强度计算即用的是一阶分析。二阶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容忽视的影响。

4.4普遍用于应力问题的叠加原理，在稳定计算中不能应用。叠加原理的应用需要两个前提条件：（1）材料符合胡克定律，即应力与应变成正比；

（2）结构的变形很小，可以用一阶分析来计算。

概括的说，运用叠加原理的杆件或结构，既不存在物理的非线性，也不存在几何的非线性。而弹性稳定计算并不符合第二个前提，非弹性稳定计算则两个前提都不符合。因此，叠加原理对稳定计算都不适用。

结语

在实际设计中，设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能，明确一些基本概念，深刻认识到钢结构存在的一些问题，只有深入了解这些问题并加以克服，才能使得钢结构稳定理论设计不断完善，以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。

参考文献

[1]《钢结构设计规范》GB50017-2003

[2]《钢结构稳定设计指南》（第三版）陈绍蕃著.中国建筑工业出版社

[3]《钢结构设计指导与实例精选》周绪红主编.中国建筑工业出版社