针对钢结构的稳定性能进行分析

摘要：钢结构由于强度高、自重轻、抗震性能好和材料可回收等诸多优点而被广泛应用到现代建筑工程中。稳定的钢结构设计对建筑物的安全和使用寿命起着至关重要的作用。本文对钢结构失稳分类和失稳问题分析方法进行了总结，并对钢结构的稳定性设计原则和设计中存在的问题进行了探讨。

关键词：钢结构；设计；稳定性；存在问题

随着我国国民经济的快速发展以及建筑水平的不断提高，出现了大量的高层建筑物或构筑物，这些建筑结构中广泛的运用了钢结构设计。钢结构与钢筋混凝土结构相比，具有截面轮廓尺寸小、强度高、自重轻等特点。但对于因受压、受弯和受剪等存在受压区的构件或板件，如果技术上处理不当，可能使钢结构出现失稳，一旦出现失稳事故将造成巨大的损失。因此，稳定问题是钢结构的突出问题，分析钢结构设计中的稳定性问题，研究钢结构的加固方法十分必要。

1 钢结构失稳分类

钢结构的稳定问题主要是指在外荷载的作用下，整个钢结构是否发生屈曲或失稳现象。其失稳类型主要分为平衡分岔失稳、极值点失稳和跃越失稳。正确的区分钢结构的失稳类型，可以更好的评价结构或构件的稳定承载能力。

1.1 平衡分岔失稳

完善的轴心受压构件其端部受到的荷载未达到某一限值时，仍能保持挺直的稳定平衡状态，构建截面承受的压应力是均匀的，沿构建的轴线也只产生相应的压缩变形，当构建截面承受的压力达到限值时，构建会突然发生弯曲，导致原来的轴心受压的平衡形式转变为与之相邻的但是带弯曲的新的平衡形式，这就是平衡分岔失稳。其特征是当荷载逐渐增加时，结构原有的平衡形式被破坏了，并出现了与原平衡形式有本质区别的新的平衡形式，由稳定平衡转变为不稳定平衡，出现了稳定性的转变。完善的（即无缺陷、挺直）轴心受压构件和完善的在中面内受压平板的失稳都属于平衡分岔失稳问题，属于这一类的还有理想的受弯构件以及受压的圆柱壳等的失稳。

1.2 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。

1.3 跃越失稳

跃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。

2 钢结构稳定性的分析方法

钢结构稳定问题的分析与计算是基于结构在外荷载作用下产生形变的情况下进行的，涉及到的形变与钢结构失稳时出现的形变一致。钢结构失稳时产生的形变与其所受到的外部荷载的关系是非线性的，因此，稳定问题的分析是非线性几何问题。不管是“屈曲荷载”还是“极限荷载”，通过稳定性计算所得出的承载力均可视为结构或构件的稳定承载力。钢结构稳定问题的计算方法一般有如下几种。

2.1 静力法

静力法即静力平衡法，也称欧拉方法，是计算弹性系统屈曲荷载的常用方法。假设弹性稳定体系存在平衡分岔点，那么分岔点周边存在一个状态完好结构的平衡状态和一个发生细微屈服的结构的平衡状态。静力平衡法是就发生细微屈服后结构的力学状态建立分析体系和方程组而求解的方法。若通过静力平衡法所求得的解多于一个，根据经验，数值最小的解才是结构体系的“分岔屈曲荷载”。静力法的缺陷在于只能求解出系统的屈服荷载，不能确定体系平衡状态的稳定性。而在实际的工程计算中，通常我们不需要判断结构体系平衡状态的稳定性，而只需求得结构的屈曲荷载，所以，静力法在钢结构稳定性问题的分析和计算中被普遍采用。

2.2 振动法

振动法又称为动力法，该方法对稳定问题进行计算的原理是：对处于平衡状态的结构体系施加微小干扰，使其发生振动，根据其自由震动状态确定结构的临界荷载。结构的变形和振动加速度与作用在结构上的荷载有关，当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度的方向和变形的方向相反，振动随着时间的推移呈现“收敛”状态，趋于静止，则结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于稳定的极限荷载时，加速度的方向和变形的方向相同，振动呈现“发散”状态，结构的平衡状态是不稳定的；若结构处于“简谐振动”的状态，则为“临界状态”，荷载即为结构的屈曲荷载。

3 钢结构稳定设计的原则

为了更好的保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定，实际设计时必须遵守以下三项原则。

3.1 结构整体布置须兼顾整个体系以及各组成部分的稳定性要求

目前，我国大部分钢结构是基于平面体系设计的，如桁架和框架都是如此。对此，需要从结构整体布置来解决，以保证平面结构不致出平面失稳，所以要针对性的设计必要的支撑构件。同时，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。

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，在一些钢结构设计中，设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分析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。所以，设计者在使用各种方法计算时，具体的设计对象要与简化计算的假定前提相符。

3.3 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，要使得构造设计和结构计算相互匹配。设计者要区分某些节点的连接是否传递弯矩，从而针对性的赋予其足够的柔度和强度。设计者注意构件细部的设计与处理，如设计桁架节点时，要注意减少杆件偏心的问题等。

4 钢结构稳定性设计中存在的问题

钢结构稳定设计的理论和方法虽然在逐渐完善，但在实际设计过程中仍然存在一定的问题，这些问题处理不好同样会影响钢结构的稳定性。

4.1 钢结构材料导致的计算误差

在钢结构的实际设计和计算过程中，为了计算方便，通常把钢材按照完全弹性材料做一阶分析，而实际使用的钢材为弹塑性材料，设计中忽略了钢材客观存在的缺陷（如残余应力、初弯曲、初偏心等），导致稳定计算和现实结构的稳定承载能力存在较大的差距。

4.2 钢结构稳定性研究中存在随机因素的影响

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。

5 结论

钢结构的稳定性能是决定其承载力的重要因素，设计者如果对相关计算和技术上处理不当，可能会导致钢结构出现失稳，甚至坍塌。所以，设计者要重视分析影响钢结构失稳的因素，尤其是当构件存在初始缺陷、残余应力以及其他不确定因素时，设计者更应该谨慎处理。

参考文献

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