钢结构稳定性设计探析

李昊贾玮玮

山东省机械设计研究院山东济南250000

摘要：钢结构失稳问题的主要类型有“平衡分岔失稳”及“极值点失稳”,轴向受压杆件一般发生“平衡分岔失稳”的问题,偏心受压杆件一般发生“极值点失稳”的问题。稳定问题的计算方法主要有“静力平衡法”、“能量法”以及“动力法”,在钢结构稳定问题计算时,需根据结构的特点以及工程需要选址合适的计算方法,以更加准确的计算和把握结构体系的稳定状态,克服结构中因设计误差或失误而产生的误差,最大程度地减少钢结构失稳的工程事故。

关键词：钢结构稳定性设计失稳强度

钢结构稳定性能是决定其承载力的一个重要因素。对于受压或受弯构件,如果技术上处理不当,可能使钢结构出现整体失稳或局部失稳,甚至整体塌落,后果严重,在设计中要予以充分重视。尤其当构件存在初始缺陷、残余应力以及非线性因素的影响时,就更增加了解决稳定问题的难度。

一、钢结构设计的原则

1结构的整体布局需要综合考虑整个建筑的稳定性

当前的建筑行业设计主要以平面设计的图形为主，比如一张工程设计图纸中的框架设计就是依靠这种设计理念。为了保证整体建筑结构不会发生坍塌的现象，在建筑钢结构设计中必须要合理布置一些基本支撑的体系。也就是说在钢结构的平面设计布置中设定的稳定性必须要和建筑过程中的空间布置相一致。不仅仅是局限于平面上的稳定性，还要考虑到作为立体建筑物需要达到的稳定基础等。

2结构计算的简图和实际手工计算图纸要保持一致

在当今的多层或者高层建筑设计中，通常会直接用框架结构来进行数据计算，而不是从钢结构的稳定性出发来进行演算，在实际的计算中需要用到的框架柱结构计算，一般都会根据实际的框架柱的系数来得出，这样才能保证钢结构的整体稳定性。在具体的操作中，框架结构多种多样，为了能满足钢结构设计的稳定性，需要设定一些具体的计算模板。在后期的计算中，可以套用固定的模板得出最可靠的数据。

3钢结构构件的稳定计算要和内部细件的结构保持一样

在进行具体的数据计算中，要让构造设计和构造计算的结果保持一致，除了一些主要的框架结构计算以外，对于钢结构中一些细节处理也需要认真对待，比如钢结构接头位置的弯曲承受度，还有钢结构杆件的偏心问题等。

二、钢结构稳定性设计的要点

在我国传统的钢结构设计中，很多设计人员为了省事和简化钢结构设计的过程，通常都会将钢结构梁柱等之间的节点忽略不计，直接视为无缝钢结构和完全刚接的状态。理想铰接表示的含义就是梁柱不能传递弯矩。完全刚接的含义主要指的是钢结构框架发生挤压变形以后，夹角是不变的形态。但是经过不断的建筑过程实验证明，并不是所有的钢结构节点都可以忽略不计，不能完全将其视为理想铰接或者完全刚接的状态，应该定义为半刚接的性质。

半刚接的特点具有理想铰接和完全刚接的优势，但是如果将它直接应用到一些钢结构设计中，就会增加框架的侧移壁，低估梁柱的承重能力。比如在杭州的一些大型公共建筑中，钢结构设计的稳定性就显得非常重要，外国语学校的新教学楼就采用了大量的钢结构节点连接，才能形成目前扇形的完美结构外形。但是如果在设计中不考虑钢结构节点连接的刚度设计，统一忽略为半刚接特点，往往会导致整体建筑钢结构设计的不稳定性。

三、结构失稳类型

钢结构的失稳现象是丰富多彩、多种多样的,但是就其性质而言,可以分为以下三类。

1平衡分岔失稳

完善的(即无缺陷的、挺直的)轴心受压构件和完善的在中面内受压的平板的失稳都属于平衡分岔失稳问题。属于这一类的还有理想的受弯构件以及受压的圆柱壳等的失稳。平衡分岔失稳还分为稳定分岔失稳和不稳定分岔失稳两种。

1.1稳定分岔失稳

按照结构稳定性分析理论,结构在达到临界状态时,从未屈曲的平衡位形过渡到无限临近的屈曲平衡位形,即由直杆而出现微弯。此后,变形的进一步增大,要求荷载增加。直杆轴心受压和平板在中面受压,都属于这种情况。板的屈曲后强度比较显著,在工程设计中往往可以利用。

1.2不稳定分岔失稳

结构屈曲后只能在远比临界荷载低的条件下才能维持平衡位形。属于这种情况的有承受轴向荷载的圆柱壳和承受均匀外布压力的外球壳,钢结构常用的缀条柱和圆柱壳很相似。薄壁型钢方管压杆也在一定条件下表现出类似特性。这种屈曲也叫做“有限干扰屈曲”,因为在有限干扰下,在达到分岔屈曲荷载前就可能由未屈曲平衡位形转到非临近的屈曲平衡位形。

2跨越失稳

两端铰接较平坦的拱结构,在均布荷载作用下突然有挠度w,其荷载挠度曲线也有稳定的上升段OA,但是到达曲线的最高点A后会突然跳跃到一个非临近的具有很大变形的C点,拱结构顷刻下垂。在荷载――挠度曲线上,虚线AB是不稳定的,BC段虽然是稳定的而且一直是上升的,但是因为结构已经破坏,故不能被利用。与A点对应的荷载坦拱的临界荷载。这种失稳现象称为跨越失稳,它既无平衡分岔点,又无极值点,但和不稳定分岔失稳又有某些相似的现象,都在丧失稳定平衡之后又跳跃到另一个稳定平衡状态。扁壳和扁平的网壳结构也可能发生跨越失稳。

四、稳定计算方法

结构稳定问题的分析方法都是针对着在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的,此变形应该与所研究结构或构件失稳时出现的变形相对应。总体上来说,稳定问题的计算方法有以下三种。

1能量法。如果结构承受着保守力,可以根据有了变形的结构的受力条件建立总的势能,总的势能是结构的应变能和外力势能两项之和。如果结构处在平衡状态,那么总势能必有驻值。根据势能驻值原理,先由总势能对于位移的一阶变分为零,可得到平衡方程,再由平衡方程求解分岔屈曲荷载。根据小变形理论,能量法一般只能获得屈曲荷载的近似解;但是,如果事先能够了解屈曲后的变形形式,采用此变形形式作计算可以得到精确解。稳定平衡时总势能最小的原理称为最小势能原理。当总势能具有最小值时,它的二阶微分是正值,平衡状态是稳定的。这就是说,用总势能驻值原理可以求解屈曲荷载,而用总势能最小原理可以判断屈曲后平衡的稳定性。

2动力法。处于平衡状态的结构体系,如果施加微小干扰使其发生振动,这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限值时,加速度和变形的方向相反,因此干扰撤去以后,运动趋于静止,结构的平衡状态是稳定的;当荷载大于极限值时,加速度和变形的方向相同,即使将干扰撤去,运动仍是发散的,因此结构的平衡状态是不稳定的:临界状态的荷载即为结构的屈曲荷载,可由结构振动频率为零的条件解得。动力法属于结构动力稳定问题。

3平衡法。中性平衡法或静力平衡法,简称平衡法,是求解结构稳定极限荷载的最基本的方法。对于有平衡分岔点的弹性稳定问题,在分岔点附近存在着两个极为临近的平衡状态,一个是原结构的平衡状态,一个是已经有了微小变形的结构的平衡状态。平衡法是根据已产生了微小变形后结构的受力条件建立平衡方程而后求解的。如果得到的符合平衡方程的解有不止一个,那么其中具有最小值的一个才是该结构的分岔屈曲荷载。平衡法只能求解屈曲荷载,但不能判断结构平衡状态的稳定性。尽管如此,由于常常只需要得到结构的屈曲荷载,所以经常采用平衡法。在许多情况下,采用平衡法可以获得精确解[4]。

五、稳定设计的基本原则

在钢结构设计中,为了保证结构不丧失稳定,还应注意以下几点。

(1)杆件稳定计算的选择时,要充分了解结构的实际受力特点,然后再通过合理的假定,选择合适的计算模型。(2)结构整体布置必须考虑整个体系及其组成部分的稳定性要求。目前结构大多是按平面体系来设计的,需要从结构整体布置来保证平面结构不致出平面失稳,亦即设置必要的支撑构件。(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。

六、结语

先从钢结构“平衡分岔失稳”、“极值点失稳”等失稳类型分析入手,在掌握稳定问题主要类型的基础上,对稳定问题的主要计算方法进行研究,从而明确“静力平衡法”、“能量法”以及“动力法”等不同计算方法的特点、差异以及适用情况。

参考文献

[1]李岩.对钢结构稳定问题的分析[J].低温建筑技术,2007,03.

[2]GB50017.钢结构设计规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[3]孙荣玲.钢结构稳定问题的研究分析[J].中华建设,2007,07.

[4]谭磊.钢结构稳定问题的可靠性研究探讨[J].陕西建筑,2006,01.

[5]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[6]吴文德.浅析钢结构的稳定设计[J].吉林工程技术师范学院学报,2008,08.