钢结构设计中稳定性分析探讨

钢结构设计中稳定性分析探讨

摘要：钢结构是用钢材经过加工、连接、安装而建成的一种工程结构，它需要承受各种可能的自然环境和人为环境作用，并应满足各种预定功能要求和具有足够的可靠性及良好的社会经济效益。在钢结构设计中，稳定是较为重要的一个环节，本文分析了钢结构稳定设计应遵循的原则以及钢结构稳定设计特点，并提出钢结构稳定性设计的计算方法。

关键词：钢结构设计稳定性

1 钢结构稳定设计存在问题分析

（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） 目前在网壳结构稳定性的研究中，梁一柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁一柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁一柱单元进行过修正，主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

2 钢结构稳定设计遵循的原则

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。

3 钢结构稳定设计的特点

（1）临界压力求解算法和折减系数法是计算轴心压杆的主要两种算法。

（2）必须从整体结构分析各个杆件的稳定，因为杆件的稳定涉及结构的整体。

（3）钢结构设计规范中提出一阶弹性分析法和二阶弹性分析法，但由于研究结构稳定问题时涉及到二阶效应，即结构和位移对内力产生的影响。因此分析钢结构的稳定问题理论上应该用二阶分析法，尤其是柔性结构，因为柔性结构的侧移和竖向荷载较大。目前还提出了一种三阶分析法，是针对大变形、大挠度的问题，此时曲率和位移导数之间不再存在线性关系。

（4）迭加原理不能在弹性计算中应用，因为迭加原理的应用要求结构的变形小，弹性稳定计算一般都不能满足这个条件。非弹性计算由于不满足此条件也不能运用迭加原理。

（5）稳定分析不需要分析结构的超静定特性，因为稳定分析只是针对位移进行判断。

4 钢结构稳定性计算方法

（1）计算长度法

现行GB 50017-2002 钢结构设计规范（以下简称《规范》）利用计算长度系数法对结构中单个柱子稳定性进行验算，从而得出结构的稳定性。规范将框架分为无支撑纯框架和有支撑框架，当采用一阶弹性分析方法计算内力时，框架柱计算长度系数μ 按规范查表得出（《规范》5.3.3 条），也可以利用《高层民用建筑钢结构技术规程》第6.3.2 条近似公式计算。

1）有侧移时：

无侧移时：

其中，k1，k2 分别为交于柱上下两端的横梁线刚度之和的比值。

在有侧移失稳时，横梁两端的转角大小相等、方向相反。缺点：在实际结构中，梁、柱都存在弯矩和弯曲，并非都是理想的无初弯曲构件，在查计算长度系数表时，只考虑直接与柱子相连的横梁约束作用，结构失稳是整层甚至是整个结构的失稳，而不是单个柱子失稳。而且，结构设计软件在柱子计算长度的确定上经常存在困难。

对于以上问题，现在已有成熟的改进方法：

《规范》5.3.6 条规定：附有摇摆柱的无支撑框架柱和弱支撑框架柱计算长度系数应乘以增大系数η ：

其中，Σ（Nf/Hf）为各框架轴心压力设计值与柱子高度比值之和；Σ（N1/H1)）为摇摆柱轴心压力设计值与柱子高度比值之和。

《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》中6.1.3 条规定：当多跨刚架中间柱为摇摆柱时，边柱计算长度系数应乘以增大系数η。

（2）二阶分析法

《规范》3.2.8 条规定，对于的框架结构，需要较精确的考虑框架整体的二阶效应，宜采用二阶弹性分析，此时应在每层柱顶增加一水平荷载Hni：

其中，Qi 为第i 层楼重力荷载设计值； ns 为框架总层数，当时，取1；αγ为钢材强度影响系数。

当柱轴线压力设计大于时，还应在其中央施加水平力0.01N，以考虑P— Δ 效应。

P— Δ 效应具有增大侧移的作用，即不稳定作用。这一效应对层数多而侧向刚度不大的框架影响十分明显，对一、二层框架影响不大。当采用二阶弹性分析方法计算内力，并在每层柱顶考虑假想水平力时，框架计算长度取几何长度。

（3）整体设计法——高等分析法

高等分析法在计算过程中不再需要将框架拆卸成为许多柱和横梁，而是将框架作为一力，使其符合设计要求，因此在计算过程中只用到框架的几何长度。

现在主要有以下几种高等分析法：1）塑性区法或塑性分布法；2）弹塑性铰法；3）改进载塑性铰法；5）再折减切线模量法。

5 结语

钢结构在整个设计过程中都应该强调“概念设计”，只有熟练掌握稳定性相关的概念，才能熟知设计中薄弱环节，正确分析和设计。随着钢结构的发展，对设计者的要求也越来越高，及时了解钢结构设计中出现的新问题，有助于提高设计的质量。总之，只有深入了解钢结构设计的相关知识和相关问题才能使钢结构稳定理论设计不断完善。

参考文献

[1]GB50017，钢结构设计规范【M】．北京：中国建筑工业出版社，2005．

[2]吴建有．钢结构设计原理【M】．北京：中国建材工业出版社，2000(7)．

[3]陈绍蕃．钢结构稳定设计指南【M】．北京：中国建筑工业出版社，2005．

[4]朱步范，罗建华．钢结构稳定性设计计算要点【J】．新疆石油科技，2008．

[5]沈世钊，陈昕．网壳结构的稳定性【M】．北京：科学出版社，2004．