钢结构稳定性设计

浅析钢结构稳定性设计
摘要：本文阐述了钢结构设计的原则及钢结构稳定设计的主要特点，对钢结构主要构件设计方法进行了介绍。

关键词：钢结构；稳定性设计
钢结构稳定问题区别于强度问题。

本文提出了刚结构主要构件的设计，随着新型结构的出现，设计人员对其性能认识的不足，从而导致构件的失稳，只有深入了解，与时俱进，才会使得钢结构稳定理论设计不断地完善。

1 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。

1.1 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。

1.2 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。

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。

在实际工程中，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应该相一致。

1.3 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。

结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。

对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。

但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。

例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。

然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。

支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。

2 钢结构稳定设计的主要特点
钢结构由于其高强度和良好的抗震性在建筑中得到了越来越广
泛的应用，钢结构不仅能够节省空间，而且还能降低工程成本，但是稳定性是钢结构的一个突出问题。

钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但
对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，是目前亟待解决的首要问题。

2.1 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。

2.2 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。

稳定分析必须从整体着眼。

2.3 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材料变形服从虎克定律，应力和应变成正比，结构的变形很小等两个条件为前提。

而弹性稳定计算一般均不能满足结构变形很小的条件，非弹性稳定计算则两个前提都不符合。

了解了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的不断发展，我们对稳定问题的研究要求也必须不断地提高，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，这也是目前钢结构稳定研究中存在的问题。

3 钢结构主要构件设计方法
3.1 柱
钢结构住宅一般为大开间，框架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时应该考虑强柱弱梁的要求。

而目前广泛使用的焊接h型钢或i字热轧钢截面，强弱轴惯性矩之比3～10，势必造成材料浪费。

因此对于轴压比较大，双向弯矩接近，梁截面较高的框架柱采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱是适宜的。

对于方钢管混凝土柱，不仅截面受力合理，同时可以提高框架的侧向刚度，防火性能好，而且结构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。

因此，尽管平面受力结构中，选用h型钢或i字钢在受力上还是合理的但总体上，箱形钢管柱尤其是方钢管混凝土柱应得到广泛应用。

方钢管混凝土柱将是钢结构住宅发展的主要方向，但由于缺乏相应的规范、规程，目前在住宅中应用还很少。

尤其钢管砼梁、柱的连接较为复杂，不利于工厂制作和现场施工，应加大力度开发研究。

3.2 楼盖
在多层轻钢房屋中，楼盖结构的选择至关重要，它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外，更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用；另外从抗震角度来看，还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。

常用的楼盖结构有：压型钢板-现浇混凝土组合楼板，现浇钢筋混凝土板以及钢-混凝土叠合板，而以第一种最为常用。

目前，在多层轻钢房屋整体分析时，还普遍不考虑楼盖与钢梁的组合作用，即使设置抗剪键，也偏保守地假设钢结构承受全部荷载，这样不仅增加材料用量和结构自重，反而会造成强梁弱柱的不利情况。

有一6层算例，考虑楼盖组合作用对梁刚度以及结构整
体刚度的影响。

算例表明，考虑组合作用后主梁的刚度大大增加，使得梁的挠度和地震作用下柱顶的侧移大为减少，此考虑组合作用应予关注。

为使楼层高度减到最小，提供更大的空间，组合扁梁楼盖也成为一种趋势。

3.3 支撑体系
支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种，前者耐震能力较差，后者在强震作用下具有良好的吸能耗能性能，而且为门窗洞的布置提供了有利条件，目前国内用的还很少，建议在高烈度区首选偏交支撑。

常用的ebf偏交支撑形式此所示。

剪切型耗能梁段，加劲肋按以下公式设计：a=29tw-d/5，（γp=±0.09rad）（1）
a=38tw-d/5，（γp=±0.06rad）（2）a=56tw-d/5，（γp=±0.03rad）（3）式中，a―加劲肋间距，d―梁高，tw―腹板厚度，γp―塑性转角；弯曲型耗能梁段还需在梁段端点外1.5bf处加设加劲肋。

3.4 节点抗震计
框架梁柱节点一般采用两种连接方法，根据“常用设计法”，即翼缘连接承受全部弯矩，梁腹板只承受全部剪力的假定进行设计。

震害表明，这种设计不能有效满足”强节点弱杆件”的抗震要求，在高烈度区隐患很大。

改进框架节点设计，在梁端上下翼缘加焊楔形盖板或者将梁端上下翼缘局部加宽盖板面积或加大的翼缘截面
面积主要由大震下的验算公式确定：式中：为基于极限强度最小值的节点连接最大受弯承载力，全部由局部加大后的翼缘连接承担；为梁件的全塑性受弯承载力；为基于极限强度最小值的节点连接最
大受剪承载力，仅由腹板的连接承担；为梁的净跨；为梁在重力荷载代表值作用下按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。

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