探讨钢结构稳定性设计方法

摘要：本文针对钢结构稳定设计提出了在设计过程中设计人员应须明确了解的一些基本概念，如强度与稳定的区别，失稳的分类，钢结构稳定设计原则，钢结构设计特点以便于帮助设计人员在设计中更好地完成稳定设计；

关键词：钢结构 结构稳定 结构设计

一、引言

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，将会造成不应有的损失。现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故，其中影响最大的是1907年加拿大魁北克一座大桥在施工中破坏，9000吨钢结构全部坠入河中，桥上施工的人员75人遇难。破坏是由于悬臂的受压下弦失稳造成的。而美国哈特福特城的体育馆网架结构，平面92m×110m,突然于1978年破坏而落地，破坏起因可能是压杆屈曲。以及1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落，1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的文撑有关。

二、钢结构稳定设计的基本概念

2.1 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。

2.2钢结构失稳的分类

(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完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。

(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)跃越失稳是一种不同于以上两种类型，它既无平衡分岔点，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。

2.3钢结构设计的原则

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

(1)结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求

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平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。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。就如上述的1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落，1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的文撑而造成出平面失稳。

(2)结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。

目前任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。

(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。

2.4钢结构稳定设计特点

（1）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。

（2）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。

（3）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。这是因为迭加原理的应用应以满足以下条件为前提：

1）材料服从虎克定律变成正比；

2）结构的变形很小。

而弹性稳定计算一般均不能满足第2）个条件，非弹性稳定计算则两个前提都不符合。

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。

三、钢结构稳定性研究中存在的问题

钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题：

(1)目前在网壳结构稳定性的研究中，梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁-柱单元进行过修正。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。

(2)在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。

(3)预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。

(4)钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。

四、结束语

钢结构稳定问题区别于强度问题。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，以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。总之，只有深入了解这些问题，才会使得钢结构稳定理论设计不断地完善。