钢结构的稳定性研究

吴晔

【摘要】钢结构体系的广泛应用，使得其稳定性问题的重要性愈发凸显。《钢结构设计规范》中相当大的篇幅都是涉及结构的稳定性，可见稳定性设计在钢结构设计中的重要性。设计人员必须对规范条文有一定深度的理解，通晓与结构和构件稳定性相关的各种因数，才能保证整体设计质量。本文力求明晰钢结构稳定性设计中的一些基本概念，为钢结构设计理清思路。

1钢结构体系稳定性研究的现状

稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。稳定问题处理不好，将会影响整体结构质量，必将造成重大损失。

近几十年来，高强度钢材的应用，施工技术的发展以及电子计算机的应用使得钢结构体系的广泛应用成为可能。钢结构的稳定性研究一直是国内外专家学者们极为关注的领域，经过几十年的研究，已经取得了不少成果。迄今为止，对钢结构基本构件的理论分析已经比较成熟，但对构件整体和局部稳定的相互作用理论以及其设计应用问题还有待深入研究。钢结构设计中最重要的一环就是稳定性设计，一旦出现失稳事故，必定是人员伤亡惨重的大事故，经济损失亦不可估量。作为钢结构的设计者，我们无论如何要把好稳定性这一关。就目前的事故案例来看，钢结构失稳的原因大多是在设计这一环埋下了隐患。设计人员概念不清晰，结构设计中存在薄弱环节，对钢结构的稳定性设计概念不够明确。再者，现在有许多新型钢结构的出现，，如空间网架、网壳结构等，设计者未能完全掌握应用，也给结构安全埋下隐患。

2钢结构稳定设计的基本概念

2.1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又荷载引起的最大应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，可取其最大强度；对于钢材则常取它的屈服点。稳定问题与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免这种状态,因此，它是一个变形问题。如轴压柱，由于失稳，侧向绕度使得柱中增加数量很大的弯矩，因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然，轴压强度不是柱子破坏的主要原因。

2.2结构失稳的分类

2.2.1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）。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。

2.2.2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。

2.2.3跃越失稳是一种不同于以上两种类型，它既无平衡分岔点，又无极值点，它是在丧失稳定平衡的之后跳跃到另一个稳定平衡的状态。

区分结构失稳类型的性质十分重要，这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。随着稳定问题研究的逐步深入，上述分类看起来已经不够了。设计时为轴心受压的构件，实际上总不免有一点初弯曲，荷载的作用点也难免有点偏心。所以，我们真正要掌握这种构件的性能就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也一样存在这个问题。另一方面就是要深入对构件屈曲后性能的研究。

2.3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，以便更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定。

2.3.1结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定要求。目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如框架和桁架结构。为了保证这些平面结构不至于出现平面失稳的情况，就必须从平面的整体布置着手考虑，即设计时考虑必要的支持构件。就是说，平面结构构件的平面稳定计算必须和结构布置相一致。

2.3.2结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。目前设计单层和多层框架结构时经常不做框架稳定分析，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，则应通过框架整体稳定分析得出，这样的柱稳定计算才能等效于框架稳定计算。

2.3.3设计结构的细部构造和构件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很关注的问题。对于要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋予它足够的刚度和柔度；对桁架节点应尽量减少杆件偏心，这些都是设计处理细部构造时应该考虑的问题。

2.4钢结构稳定设计的特点

2.4.1失稳和整体刚度：现行规范通用的轴线压杆稳定计算法是临界压力求解法和折减系数法。

2.4.2稳定性整体分析：杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体。稳定分析必须从整体着眼。

3钢结构稳定性研究中存在的问题

钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题：

3.1目前在网壳结构稳定性研究中，梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁-柱单元进行过修正。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。

3.2在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题。目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反应整体稳定与局部稳定的关联性。

3.3预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。

3.4钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前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、随机荷载输入这样一个格局范围，而实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构相应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃性失稳问题的研究。

以上都是钢结构稳定设计中存在的问题,只有我们进一步地深入研究这些稳定问题，钢结构稳定理论才会进一步完善，如对于钢结构稳定设计中涉及到随机因素的影响，国外已经引入了钢结构稳定的可靠度设计，这也表明了钢结构稳定设计理论也在不断地完善。

4结束语

钢结构稳定设计具有诸多与应力问题不同的特点。熟悉这些特点对从事钢结构工作的工程技术人员来说是十分必要的。本文提出了在设计过程中设计人员应明确的一些基本概念；其次，随着新型结构的出现，设计人员对其性能认识不足，从而设计本身不完善，存在失稳的隐患，本文还结合一些实际问题概括了其稳定设计的特点。深入理解钢结构稳定设计中这一系列的概念有助于完善设计，保证结构稳定的同时又做到经济合理。

参考文献：

[1]GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003

[2]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，1995

[3]周绪红.结构稳定理论[M].北京：高等教育出版社，2010