浅析钢结构稳定设计

关键词：钢结构；失稳；稳定性设计 

　　1.钢结构稳定设计的基本概念 

　　1.1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的最大应力(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。两公式虽然形式上区别不大，但性质完全不同。 

　　1.2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)。 

　　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)跃越失稳不同予以上两种类型，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.钢结构稳定性的分析方法 

　　2.1静力法 

　　静力法即静力平衡法，是根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程，然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定： 

　　1)构件是等截面直杆。2)压力始终沿构件原来轴线作用。3)材料符合胡克定律，即应力与应变成线性关系。4)构件符合平截面假定，即构件变形前的平截面在形后仍为平截面。5)构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。 

　　根据以上假定条件，建立平衡微分方程，代人相应的边界条件，即可解得轴压构件的临界荷载。 

　　2.2能量法 

　　能量法是求解稳定承载力的一种近似方法，通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。 

　　1)能量守恒原理求解临界荷载。保守体系处在平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，即能量守恒原理。其临界状态的能量关系为： 

　　式中指应变能的增量；指外力功的增量。由能量守恒原理可建立平衡微分方程。 

　　2)势能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指：受外力作用的结构，当位移有微小变化而总势能不变，即总势能有驻值时，结构处于平衡状态。表达式为： 

　　式中指虚位移引起的结构内应变能的变化，它总是正值；指外力在虚位移上作的功。 

　　2.3动力法 

　　处于平衡状态的结构体系，如果施加微小干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经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，加速度和变形的方向相反，因此干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的；当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相同，即使撤去干扰，运动仍是发散的，因此结构的平衡状态是不稳定的。临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载，可由结构的振动频率为零的条件解得。 

　　3.钢结构稳定性设计的原则 

　　3.1钢结构布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求 

　　目前钢结构大多数是按照平面体系来设计的，保证这些平面结构不出现平面外失稳，需要从结构整体布置来解决。 

　　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。柱的计算长度系数，应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效予框架稳定计算。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大有存在。所以，采用的计算方法应与前提假设和具体计算对象保持一致。 

　　4.钢结构稳定性没计难点及体会 

　　1、目前梁、柱单元理论已成为网壳结构稳定性的研究中的主要研究工具，但是梁．柱单元并不能确保真实反映网壳结构的受力状态，因此如何反映轴力和弯矩的耦合效应是目前网壳结构稳定性设计中的主要问题。 

　　2、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―个格局范围，而在实际工程中，由于如材料(弹性模量，屈服应力,泊松比等)、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等不确定性会引起结构响应的显著差异。所以应着眼予考虑随机参数的结构极值失稳、跳跃型失稳、干扰型屈曲等问题的研究。 

　　3、在统计与稳定性有关的几何量和物理量时，一般只是根据有限样本来选择概率密度分布函数，带有很大程度上的统计信息局限性，造成对稳定性设计的数据依据不够准确。因此在统计时，要结合实践经验和相关规范确定统计信息的准确性。 

　　4、受弯钢构件的板件局部稳定有两种方式：一是以屈曲为承载能力的极限状态，并通过对板件宽厚比的限制，使之不在构件整体失效前屈曲；二是允许板件在构件整体失效前屈曲，并利用其屈曲后强度，构件的承载能力由局部屈曲后的有效截面确定。对于不考虑屈曲后强度的梁局部稳定，可对梁设置横向或纵向加劲肋，以解决梁的局部稳定问题，加劲肋按《钢结构设计规范》(GB50017―2003)第4．3规定设置；对于组合梁腹板考虑屈曲后强度的计算按《钢结构设计规范》(GB50017―2003)第4．4规定执行。 

　　5.结语 

　　钢结构稳定问题是很复杂的，在工程结构稳定性的研究领域中，还存在很多尚未决的难题。比如：大跨度桥梁、大跨度薄壳、大跨度大空间网壳高层与超高层建筑结构的双重非线性动力稳定性等问题。只有入研究并解决这些难题，钢结构稳定设计理论才会不断地完善。 

　　参考文献： 

　　[1] 雷丽颖.浅谈钢结构稳定性设计田.煤炭工程[J],2010,(02) 

　　[2] 刘志海,米涛.钢结构设计中稳定性的探讨.黑龙江科技信息[J].2009,(14) 

　　[3] GB50017―2003,钢结构设计规范[S].2003