建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点

建筑工程中钢结构设计的稳定性与设计要点

发表时间：2018-05-24T14:40:06.657Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第35期作者：徐勇斌

[导读] 本文介绍了钢结构设计的稳定性与设计原则，并从几个方面探讨了钢结构稳定性的设计要点。

江苏省第二建筑设计研究院有限责任公司盐城分公司江苏盐城 224000

摘要：钢结构因具有自重轻、强度高、工业化程度高等优点,在建筑工程中得到了广泛的应用。通过加强对结构的整体稳定、局部稳定以及平面外稳定的设计,克服结构设计缺陷,其应用的领域会越来越广泛。本文介绍了钢结构设计的稳定性与设计原则，并从几个方面探讨了钢结构稳定性的设计要点。

关键词：钢结构设计的稳定性

一、钢结构设计的稳定性与设计原则

强度、刚度和稳定性是三个不同的概念,强度表示结构中的材料能够承受的最大应力,刚度表示其抵抗变形的能力,失稳表示结构不再能够保持原来的平衡状态继续承受附加荷载(虽然此时最大应力达不到材料的屈服强度)。强度和稳定性代表结构的极限状态,即结构不再有继续承受荷载、抵抗进一步变形的能力,刚度到了零的状态。因此刚度这一概念对于描述结构的状态更为重要,刚度是结构居第一位的性质。借助刚度概念,强度和稳定性的概念可以统一。

为了更好的保证钢结构稳定设计中构件的稳定性，实际设计时必须遵守以下三项原则。

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。

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。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。

3、满足构件的稳定计算必须与设计结构的细部构造保持一致，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。

二、建筑工程中钢结构稳定性的设计要点

（一）节点连接刚度设计

在传统的设计和分析中，为了简化结构设计分析过程，通常将钢结构梁柱节点的连接假定为理想铰接或完全刚接。理想铰接意味着梁柱不能传递弯矩。完全刚接则认为框架在受荷变形后，粱眭夹角保持不变。随着钢结构节点连接形式的增多，试验结果证明，在荷载作用下，有些节点连接不能单纯归类为刚性连接或理想铰接，而应称为半刚性连接。半刚性节点连接是部分约束连接，兼有刚性连接和理想铰接的优点，如果将半刚性连接简化为理想铰接，则会高估框架的侧移壁而增大P_△效应的影响，低估了梁柱的连接刚度，使往的稳定极限承载力理论值偏低。如果将半刚性连接简化为刚接，则结果相反。

考虑A、B两节点刚度变化对框架的稳定承载力加以分析，视A、B两节点的刚度相同。梁柱的钢材均为Q235钢，E=2.06x

lO5MPa，I=8.33x108mm4；当A、B节点为刚接时稳定承载力特征值为7．9017；当A、B节点为铰接时稳定承载力特征值为2.6463；分析结果，可以较明了地看出，节点的半刚性连接对钢框架的稳定承载力有显著的影响，当节点刚度为1x108~5xl09N.mm时，其对钢框架的稳定承载力变化影响较显著。

（二）同一层柱的柱间设计

框架结构中柱子并不是独立存在的，而且柱子的边界条件也不是固接、铰接、自由等理想的情况，柱子的端部要受到与它相连的其他构件的弹性约束。框架有侧移失稳时，单根柱总是与同一层的其他柱同时失稳，不会单独失稳．即同一层柱的柱间存在相互作用。该方面已有相关研究H，并在此基础上改进了钢框架稳定承载力的公式。

（三）轻型钢的基础与柱脚节点设计

基础形式选择应根据建筑物所在地的工程地质情况和建筑物上部结构型式等几个方面综合考虑。对于轻钢结构而言，由于柱网尺寸较大，上部结构传至柱脚的内力较小，一般以独立基础为主。若地质条件较差，可考虑采用条形基础，遇到不良地质情况，可考虑采用桩基础。一般情况不采用片筏基础和箱形基础。对轻钢结构基础除发生冲切、剪切破坏之外，由于存在较大的水平力，对于固接柱脚，还存在较大的弯矩作用，从而导致基础产生倾覆和滑移破坏。另外，在风荷载较大的情况下。特别对于一些敞开和半敞开的结构，轻钢结构自重很轻，有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力，导致基础上拔破坏。

为了防止这些破坏的发生，最经济有效的办法是增加基础埋深，对于轻钢结构基础，还须预埋锚栓(也称地脚螺栓)，用于上部结构和基础的连接，若锚栓离混凝土基础边缘太近，会产生基础劈裂破坏，因此，锚栓离基础边缘的距离不得小于150mm，若锚栓长度过短，会使锚栓从基础中拔出，导致基础破坏，所以规范也规定了锚栓的埋入长度。

柱脚根据能否抵抗弯矩分为刚接柱脚或铰接柱脚。在实际工程中，绝对刚接或绝对铰接都是不可能的，确切地说应该是一种半刚接半铰接状态。刚接和铰接柱脚关键在于锚栓布置，铰接柱脚一般采用两个锚栓，刚接柱脚一般采用四个或四个以上锚拴连接。柱脚的区别在于对侧移的控制，如果结构对侧移控制较严，则采用刚接柱脚，例如有吊车荷载的情况，应将柱脚设计成刚接柱脚，其余情况下，柱脚应设计成铰接。一般情况下，柱底剪力是通过底板和基础顶面的摩擦力来传递的，若不满足要求，则须设置抗剪键。

（四）稳定承载力计算方法——假想荷载法

在框架的稳定承载力计算方法的众多研究中，假想水平荷载法愈来愈广泛地为工程界所关注，并已由加拿大和欧洲等设计标准采纳。假想水平力法的基本原理如图所示。

初始倾斜率Ψ使框架遭受力矩M=PhΨ的作用，将这种作用转化为等效水平力H=M/h=PΨ对无初始倾斜框架的作用，这种从整体等价效应出发而引入的水平力H称为假想水平力。

规定恰当的假想水平力，使其综合反映几何缺陷(初挠度、初偏心、初侧移等)和塑性铰邻域塑性变形的不利影响，在此假想水平力和实际荷载的共同作用下把原框架当作理想框架(无缺陷)进行二阶弹性分析，用由此而得的内力进行构件设计显然无须再考虑各构件的计算长度(因为确定计算长度的过程本质上是二阶弹性分析的过程)，亦即总取μ =1。此法既免去了确定计算长度的复杂过程，又更好地反映了框架的承载力。

当然，假想水平力的确定必须通过与精确的二阶弹塑性分析结果的校准来确定。假想水平力法已经通过了一系列基准校核。校核表明，在一个相当宽的构件长细比范围内，由实用分析法得到的极限承载力非保守结果不超过5%。尽管校核采用的是宽翼缘工字钢W8×31(美国标准，截面公称高度203毫米，每米重量46公斤)，但对于绕强轴弯曲的其它宽翼缘截面，极限承载力误差不超过6% ，而绕弱轴弯曲时，极限承载力偏于保守的最大误差达26%。一些构筑假想水平力法的细节，包括斜柱，斜梁以及柱轴力较大时考虑P-δ效应的处理见下图所示。

这种施加假想水平力对理想框架进行弹性二阶分析的方法，是介于现行设计方法和精确分析之间的一种实用方法。弹性二阶分析亦可通过放大系数由一阶分析的结果近似求得，计算较为简便。由此而得的内力用于校核平面内稳定的相关方程时，计算长度取几何长度。与传统方法相比，这种方法要更经济些。假想水平力如果和简化的二阶弹塑性分析(假定塑性只出现在塑性铰截面)结合，有望逼近先进的结构分析法。二阶弹塑性分析处于发展之中，还没有积累足够的工程应用经验，宜在简单的低层框架中先行使用。参考文献

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