钢结构稳定性设计简要分析

钢结构稳定性设计简要分析

一、钢结构稳定性的概念

由于外力作用使结构构件产生很大的变形直至丧失承载能力，即构件失去稳定。在钢结构或者是结构中的单个构件中，强度问题是由荷载引起的应力是否超过材料极限强度。所以，强度问题归根到底是应力问题，而材料的特性是材料强度的关键，选取钢材时，应该考虑其屈服强度，在此基础上对材料的安全系数也应该一并考虑。而钢结构稳定问题和强度问题不同，稳定问题主要是结构的外荷载与结构内部抵抗力之间出现不平衡状态，导致的失稳状态，也就是开始出现急剧的变形，因此在设计中，应该考虑到如何避免进入失稳状态。所以，从本质上看，稳定问题是一个变形问题。稳定分为整体稳定与局部稳定；整体稳定分为平面内的弯曲失稳及平面外的弯扭失稳。局部稳定表示腹板或翼缘部分板件发生屈曲变形失稳。为了保证结构的安全性能，钢结构的稳定必须满足规范要求。

二、钢结构稳定性的具体分析方法

外荷载作用是我们在进行钢结构稳定性问题研究的前提条件，因此关于变形的研究不能忽视，其和结构或者构件的失稳性的研究一样重要。我们使用到的方法有：静力法和动力法。1）静力法，该方法也叫做静力平衡方法。当钢结构受力条件存在微小变形，那么就可以构建平衡微分方程，这样临界荷载就可以得到。2）动力法。如果结构体系处于平衡状态，此时施加微小的干扰的话，振动就会发生。在此情况下，无论是结构变形还是振动的加速度，都和结构荷载有着直接的关系。假如稳定的极限荷载值大于荷載值时，那么加速度和变形的方向就是相反的。可见，对干扰进行剔除后，运动就会处于静止的状态，这样结构的平衡状态就有了保障。钢结构的屈曲荷载主要体现在临界的状态荷载中，获得的前提是钢结构振动频率为零。

三、钢结构的稳定在工程中的计算及构造

所有型式的钢结构在计算及构造都要满足结构的稳定性，以下从工程中常用到的几种结构型式来分别说明。

1.门式刚架结构杆件的稳定

钢结构厂房经常用到的结构形式为门式刚架结构，门式刚架厂房包括结构柱、结构梁、吊车梁系统、屋面支撑、墙面支撑、屋面檩条、墙面檩条等构件。在计算过程中，每根构件都需要考虑稳定性的问题。

在工程实例中，对于钢结构H型柱，为了实现安全经济性要求，绕弱轴方向的稳定性一般会增加构造措施来满足平面外的稳定性。在水平荷载及竖向荷载作用下，H型柱内外翼缘都可能受压失稳，在受力比较小而且没有吊车作用时，一般会增加墙面隅撑来约束H型柱内翼缘，墙面檩条约束H型柱外翼缘，以减小柱的平面外计算长度，在计算中会修改柱的平面外计算长度，在墙面绘图中会增加隅撑的位置，从而达到节约钢材的作用。当受力较大或条件不允许加设隅撑时会增加系杆，以减小平面外计算长度；当H型柱截面高度比较高时，为了约束内外翼缘平面外的稳定，一般会设置双片系杆及支撑来满足构件平面外稳定。

对于钢结构H型梁，同H型柱一样，内外翼缘可能受压失稳，通过屋面檩条及隅撑来减小平面外计算长度，一般屋面檩条间距为1.5米，隅撑一般隔一道檩条设置一道，即3.0米，这就是经常看到的梁平面外计算长度为3.0米的原因，即按构件内外翼缘约束的最大长度取得。也可用系杆来约束平面外稳定。对于H 型梁，当弯矩较大和截面高度较高时，为了避免荷载较大引起梁的扭转而失稳，一般会设置支撑如下图：

这样会保证屋面梁上下翼缘在平面外的稳定。

2.钢框架结构的稳定

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。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予框架稳定计算。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-些典型条件。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-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相一致。

四、钢结构稳定性设计中存在的问题

钢结构稳定性问题是指在受到外界扰动的情况下能否恢复到初始状态的性能，在钢结构的使用中，其稳定性会受到其本身或者外界各方面因素的影响，具有一定的随机性，因此，对于钢结构稳定性设计不仅仅要考虑到自身影响因素，还要顾及到外界影响造成的不良后果，才能从根本上阻止各种隐患的发生。

1）钢结构稳定性受到其构件承载强度的影响，其中也包括构件材料的应力、截面特征等，都对钢结构稳定性产生影响。整体结构的支撑力与抗扭力性能也十分重要，包括在设计建模设计为了对结构进行分析所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力出现的差异。都是影响钢结构稳定性的重要因素，这些在稳定性设计时都是必须考虑的。

2）目前钢结构稳定性设计中存在的问题是大跨度结构设计中如何反映轴力和弯矩的耦合效应。一般情况下，大跨度结构设计中取一个稳定安全系数，不一定能真实的反应网壳结构的受力状态，因此，预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善的状况下，整体与局部的稳定性之间的相互作用关系也是值得研究的问题。

以上都是钢结构构件稳定性设计中存在的问题，只有不断完善相关基础理论研究，加强对影响钢结构稳定性设计的随机因素加强检测和控制，才能从根本上使得钢结构的稳定性问题得到根本解决。

结束语

钢结构稳定问题区别于强度问题。其基本构件的稳定性问题，是钢结构设计中的关键问题之一。在实际设计中，设计人员应该明确结构构件的稳定性能，以免在设计过程中发生难以预料的失稳损失。清楚地理解并掌握钢构件整体稳定和局部稳定的概念，对于工程设计人员合理有效地解决钢结构工程中所出现的实际问题，对钢结构构件设计过程中稳定性计算公式的理解与正确运用具有重要的概念基础。只有深入了解这些问题，才会使得钢结构稳定性设计不断改进与完善。随着钢结构稳定性的逐步加强，我们相信，我国的钢结构建筑产业必将迎来美好的明天。

参考文献