浅谈钢结构的失稳分析及稳定性设计探讨

浅谈钢结构的失稳分析及稳定性设计探讨

摘要：近年来，随着国家市场经济体制不断完善，我国建筑行业的发展也随之

日新月异，人们对建筑工程建设质量的要求也越来越高，而钢结构建筑凭借较强

的承载能力和稳定性被广泛应用到建筑工程建设中，但就目前来看，钢结构设计

中容易出现失稳的现象，严重影响建筑工程整体建设质量，因此本文将围绕钢结

构失稳的原因及稳定性设计展开分析与探讨。

关键词：钢结构建筑；失稳原因；稳定性设计

在钢结构工程设计中，保证钢结构稳定性的设计尤为关键。随着建筑行业风

生水起，建筑规模也在逐步扩大，加之国民生活水平显著提升，人们对建筑工程

建设质量有了更高的要求，施工单位在保证建筑工程施工进度的同时还要考虑到

建筑的整体稳定性，以便为人们提供更加安全、实用的生活环境。因此，钢结构

建筑被广泛应用到建筑工程建设中，虽然具有一定的稳定性，但在实际施工中常

会出现失稳的现象，为整个建筑工程施工埋下安全隐患。

一、钢结构失稳的表现及原因分析

（一）钢结构失稳的具体表现

第一，在平衡分岔情况下产生的失稳现象，简称稳定平衡，就是钢结构的各

分支点失去了平衡，主要表现在当直杆轴心在达到荷载最大值时出现的屈曲以及

中面受压平板在复合作用下出现的屈曲。在直杆轴心负荷承受能力范围内的钢结

构可以保持挺直、平衡和稳定的状态，钢结构的各个界面的受压力均匀，一旦受

到外界微小的扰动，将会偏离轴心原来的平衡位置，最终出现失衡现象[1]。

第二，无平衡分岔失稳，简称不稳定平衡。现阶段我国大多数建筑钢结构工

程中采用的钢质材料皆属于偏心受压，在钢质材料的塑性发展到一定程度时，钢

结构稳定能力就会逐渐降低，直至彻底丧失，影响建筑钢结构工程整体施工质量[2]。

第三，跳跃失稳，就是在钢结构某个结构失去平衡后跳跃到另一个稳定性平

衡状态。

（二）钢结构失稳的原因分析

导致建筑钢结构工程失稳的原因主要可以包括三个方面，首先，钢结构原材

料的质量问题，由于建筑工程普遍存在重建设轻管理的问题，建设投入成本控制

较为严格，在建筑企业内部存在诸多违规操作现象，原材料的采购环节控制不得当，原材料的质量难以满足钢结构施工的实际需求[3]；其次，在钢结构稳定性设

计中，设计方案与实际施工需求存在偏差，设计方案中相关参数较多，而在实际

施工中难以实现，加之施工现场易受多方面因素的影响，存在诸多不稳定因素，

无法保证钢结构的稳定性；最后，钢结构工程的后期维护工作不到位，由于钢结

构工程需要承受建筑整体负荷，必然会受损严重，若不采取适当的维护措施，将

会直接影响钢结构的稳定性，易出现断裂、弯折等问题，为建筑整体带去安全隐

患[4]。

二、钢结构稳定性设计思路

钢结构工程的设计要遵循以下几点原则：第一，在钢结构工程稳定性设计中，设计人员主要是以建筑平面施工图为依据进行整体稳定性设计，因此，想要保证

钢结构工程稳定性就必须要坚持以稳定第一的原则进行整体结构设计；第二，在

钢结构框架结构设计中，设计人员主要是对框架的稳定性进行合理计算，必然联

系到柱体长度计算系数，所以需要设计人员对框架结构的稳定性进行深入分析，

保证柱体稳定性计算与框架结构稳定性计算的依据相互统一，继而保障钢结构稳

定性设计能够科学进行。

三、钢结构稳定性设计的优化措施

（一）明晰设计思路

设计思路是钢结构稳定性设计的核心思想，同时也是指导性思想，可以为钢

结构稳定性设计提供有力依据[5]。在钢结构稳定性设计中，设计人员首先要根据

钢结构施工的实际需求明晰设计思路，包括：首先是考虑到钢结构整体体系与各

组成部分之间的稳定性设计；其次是钢结构计算简略图要与实际规定计算简略图

保持高度一致；最后是钢结构整体稳定性设计要依据现行的设计规范标准，根据

具体需求，对钢结构稳定性进行精细计算，还要着重考虑到钢结构的加固环节的

设计，全面保证钢结构稳定性使用功能。此外，还要将钢结构工程施工中各个构

建的损坏、分支点失稳以及整体失稳等现象的预防和控制结合到钢结构设计中。

（二）熟练掌握稳定性计算方法

首先是静力法。静力法又称精力平衡法，是指根据钢结构在受到外界微小扰

动的情况下出现轻微变形后的受力条件构建平衡微分方程，再计算出最后的临界

荷载值。其次是能量法，是与求解稳定承载力相类似的一种计算方法，主要是指

根据能量守恒原理和势能驻值原理对临界荷载进行计算的一种计算放法。最后是

动力法。动力法是指在钢结构平衡状态下，施以钢结构微小的扰动引起钢结构整

体产生振动，此时钢结构出现振动的速度和变形大小取决于作用在钢结构上的荷载，若荷载较小，并且达到钢结构稳定性极限值时，可以忽略不计，振动速度与

变形方向成反方向，一旦除去干扰，钢结构整体振动就会停止，达到结构稳定性

平衡状态。若荷载能力超过极限值时，钢结构振动加速度与变形方向会保持一致，及时除去干扰，钢结构整体仍在振动状态下，无法达到结构稳定性平衡状态，极

易出现钢结构弯曲变形，所以在应用动力法进行钢结构稳定性计算时，要在振动

频率为零时进行计算，是钢结构稳定性设计中最常用到的一种计算方法。

（三）重视钢结构加固设计

1 改变结构计算图形

改变结构计算图形主要是为了改变钢结构达到加固的目的。在钢结构稳定性

设计中，设计人员在对钢结构荷载分布情况以及钢结构临界荷载条件和分叉点性

质与传力的途径等内容进行充分了解的基础上，在钢结构中设置辅助性的杆件或

者是其他支撑结构以达到加固钢结构的目的。

2 减轻和改变荷载布局

在改变受弯杆件的荷载时，将单独一个集中端部支撑荷载承受变为对个端部

支撑荷载承受来加固钢结构，例如，将钢结构的的铰接方式转换成钢接，并利用

连续连接结构替代支座中间的单独连接结构，再对支座位置进行适度调整，再将

连接结构转换成撑杆结构，适当增加拉杆的预应力[6]。另外，在横截面加固过程中，设计人员要考虑到横截面的实际形式进行具体加固设计，满足实际加固要求，才能保证钢结构更加稳定。

3 改变结构连接方式

钢结构连接方式主要包括焊缝、普通螺栓、高强螺栓以及铆钉固定的方式来

加固钢结构，在钢结构工程中，应根据实际情况选用适合的结构连接方式，例如，钢结构加固的目的、钢结构实际受力条件、钢结构构造等，通常情况下，在采用

焊缝连接的过程中，施工人员要选用成熟的焊接工艺和先进的焊接材料，才能为

钢结构工程提供稳定性保障。