鋼結構穩(wěn)定設計心得

鋼結構穩(wěn)定設計心得

河北省石油化工設計院有限公司天津分公司

摘要：穩(wěn)定問題一直是鋼結構設計的關鍵問題之一,鋼結構體系的廣泛應用凸顯了穩(wěn)定問題研究的重要性和緊迫性。由于鋼結構體系設計、建造以及使用當中存在著許多不確定性因素，筆者結合工作中的設計經驗對鋼結構體系的穩(wěn)定性問題進行了總結。關鍵詞：鋼結構，框架，穩(wěn)定性，失穩(wěn)。

鋼結構穩(wěn)定設計具有和強度問題不同的特點，在以往的設計中，遇到的問題多是小型鋼平臺，因荷載較小，高度較低，只要滿足強度要求，一般不會失穩(wěn)。在近幾年的學習及工程設計實踐中，認識到保證結構整體的穩(wěn)定及其構件自身的穩(wěn)定是鋼結構設計中極其重要的內容。

經過查閱大量鋼結構資料，對鋼結構穩(wěn)定性設計的特點建立起了明確概念，下面是學習后總結的幾點體會。

1.結構整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。

目前結構大多數是按照平面體系來設計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結構不致出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，需要通過結構整體布置來解決，亦即設置必要的支撐構件。這就是說，平面結構構件的平面外穩(wěn)定計算必須和結構布置相一致。例如，大跨度過路管架，一般需要做成桁架的型式，而用PKPM進行桁架的設計時，一般只是拿出桁架的一榀來進行平面內構件的強度和穩(wěn)定計算，桁架的平面外穩(wěn)定則需要通過在上下弦分別加設鋼橫梁及水平支撐來保證。

2．結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖相一致，這對框架結構的穩(wěn)定計算十分重要。

《鋼結構設計規(guī)范》中很大一部分條文都與穩(wěn)定問題有關，遵循這些條文規(guī)定，對防止出現(xiàn)結構失穩(wěn)，當然是必不可少的。然而，僅按規(guī)范條文來處理穩(wěn)定問題還很不夠，我們尚需對條文的規(guī)定有一定深度理解，并且各種因素對結構和構件穩(wěn)定性能的影響也應進行考慮。結構計算簡圖和實用計算方法所依據的簡圖相一致，這對框架結構的穩(wěn)定計算十分重要。在設計單層和多層框架結構時，經常不作框架穩(wěn)定性分析，而是代之以框架柱的穩(wěn)定性計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩(wěn)定時，用到的柱計算長度系數μ，自應通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算，然而，實際框架多種多樣，而設計中為

了簡化計算工作，需要設定一些典型條件。《鋼結構設計規(guī)范》對單層和多層框架給出的長度系數μ采用了五條基本假定，其中，包括：“框架中所有柱子是同時喪失穩(wěn)定的，即各柱同時達到其臨近荷載�！卑凑者@條假定，框架各柱的穩(wěn)定參數φhP/E應保持常數。對于最簡單的單層單跨框架來說，就是以對稱框架作為典型框架。如果結構不對稱，或者荷載不對稱，甚至二者都不對稱，柱的實際計算長度將不同于典型框架。在非對稱情況下，以單層單跨框架來說，左柱受力為P1，右柱受力為P2，當P1>P2時，左柱趨于先失穩(wěn)。但是，左柱失穩(wěn)而側移時，必然要帶動右柱一起側移，而右柱這時還未達臨界狀態(tài)，必將對側移起阻止作用，從而使左柱推遲失穩(wěn)。這就是說，框架失穩(wěn)是結構的總體問題。由于整體性，左柱得到右柱的支持，它的計算長度系數小于規(guī)范給出的數值。另一方面，右柱要對左柱提供約束，它的任務加重，計算長度系數大于規(guī)范給出的數值，其結果是兩根相同的柱在不同荷載作用下，同時失穩(wěn)。非對稱的單層單跨框架的計算長度系數可以由把規(guī)范給出的μ系數乘以一個修正系數的辦法來獲得。

對單層多跨等高框架來說，φ為常數，相當于各柱的P/I相同，圖1所示各柱的Pi/Ii不相同的框架，按規(guī)范算得的各柱的μ系數就不能完全反映框架失穩(wěn)的實際情況，需要作出適當的修正。簡化的修正方法是，對按規(guī)范得出的μi系數乘以修正系數β，從而得出各柱

IiPiTPi的計算長度系數μimβμi式中TIi/Mi

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圖1參數Φ不同的單層框架

P1P2P3

I1I2I3P1/I1P2/I2P3/I

多層框架在柱φ不相等時也有μ系數修正問題，框架計算簡圖和實用方法所依據的簡圖不一致的情況，還有搖擺柱的框架，這種情況若按規(guī)范μ系數計算都會導致不安全的后果。

搖擺柱是指上下端均為鉸接，且用鉸支橫梁連于剛性節(jié)點的框架如圖2所示。搖擺柱和

框架ABCD連成一體后，并沒有給框架增加新的側向剛度，但是整個體系卻增加了新荷載P1.。因此，框架ABCD的側向剛度不僅要能抵抗本身荷載P1和P2的失穩(wěn)作用，還要加上搖擺柱上的荷載P1的作用。如果在確定AB柱的計算長度系數μ時仍用一般方法，則柱的截面將偏小，解決的辦法是把按不考慮搖擺柱影響的μ系數修正為μ=μ1+n。式中nP1/P1P2為搖擺柱的荷載和剛接框架的總荷載之比。

P1IbP2P3

BC

IcIc

AD

圖2附有搖擺柱的框架

3.設計結構的細部構造和構件的穩(wěn)定計算必須相互配合，使二者有一致性。結構計算和構造設計應相符，對要求傳遞彎矩和不要求傳遞彎矩的節(jié)點連接，應分別賦予它足夠的剛度和柔度，當涉及穩(wěn)定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。對簡支粱就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止粱繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。支座采用端板式，上翼緣有窄板連于支承結構，從而有效防止扭轉。為了使梁端在自身平面內少受約束，可以把窄板的螺栓孔做成長圓型。梁端雖有端板，對該截面翹曲的約束作用不大。高度不大的梁端加勁肋能夠有效防止梁端的扭轉，可以省去上翼緣的連接板。但是，既無上翼連接板又無端加勁肋，梁產生側移和扭轉時，梁端不能保持不扭，則梁的整體穩(wěn)定承載能力要比按規(guī)范φb系數算地要低。《鋼結構設計規(guī)范》規(guī)范在第4.2.1和第4.2.2條都注明“應采取措施以防止梁端截面的扭轉”。

正確進行梁整體穩(wěn)定計算，涉及的構造問題很多。《鋼結構設計規(guī)范》規(guī)范所規(guī)定的整

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體穩(wěn)定系數φb適用于等截面的梁包括簡支梁和懸臂梁。因此，凡截面變化的梁和端部（或其他部位）有削弱的梁規(guī)范的系數φb系數都不適用。從梁的抗彎強度來說，當彎矩圖變化時梁截面可以相應變化，但是，如果設計時是梁整體穩(wěn)定控制截面，則梁截面不宜變化。

在梁格系中，當次梁和主梁表面平齊時，次梁端部需要切去一部分上翼緣和腹板。這種端部削弱的連接方式不僅使梁端一段內截面積減小，并且還造成上翼緣端部可以側向移動的局面。如果次梁跨度小而削弱范圍相對較長，則次梁整體穩(wěn)定承載力下降相當多。雖然，工程中常見的情況是梁格上面鋪有鋼筋混凝土板并與梁牢固連接，使梁整體穩(wěn)定得到保證，但有時遇到不設鋼性鋪板的梁格的可能性。有時，端部削弱的次梁整體穩(wěn)定性即需專門計算。

在實際設計中，我們設計人員應該明確知道結構構件的穩(wěn)定性能，以免在設計過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失�？傊�，熟悉這些特點對于我們設計人員來說是十分有益的，深入理解這些特點有助于設計出既能保證穩(wěn)定而又經濟合理的結構。

參考文獻

[1]陳紹蕃.鋼結構設計原理.科學出版社.201*.23-25.

[2]陳紹蕃.鋼結構穩(wěn)定設計指南.中國建筑工業(yè)出版社.1995.

擴展閱讀：鋼結構課程專題報告論文：淺析鋼結構穩(wěn)定問題及其研究

鋼結構基本原理及設計課程專題報告

淺析鋼結構穩(wěn)定問題及其研究

1緒論

本文站在如何提高鋼結構穩(wěn)定設計角度，結合鋼結構設計和鋼結構體系，通過對鋼結構體系的優(yōu)勢和劣勢、鋼結構體系穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀、鋼結構體系穩(wěn)定性研究中存在的問題的闡述分析，提出了在建筑結構中提高鋼結構穩(wěn)定的設計三原則。

2課題背景

隨著我國經濟的高速發(fā)展，各種鋼體工程建筑相繼建設而成。鋼體建筑已成為推動我國建筑行業(yè)快速發(fā)展的新型坐標。而在鋼結構體系中，穩(wěn)定性設計就成為了鋼結構設計中的突出問題，穩(wěn)定設計這個問題把握不好，將會造成嚴重的損失。在現(xiàn)代工程史上不乏因失穩(wěn)而造成的鋼結構事故，給社會帶來了巨大的經濟損失。日本愛知縣的東河文化館網架結構，平面72m×90m,突然于1994年破壞而落地，破壞起因可能是壓桿屈曲。1998年澳大利亞一商務平臺的屋蓋結構塌落，1996年韓國某體育場看臺屋蓋塌落，這兩次事故都和沒有設置適當的文撐有直接因素。從以上發(fā)生的事故可以得出，鋼結構體系中的穩(wěn)定性是鋼結構設計中需要重點解決的問題，一旦出現(xiàn)了鋼結構的失穩(wěn)事故，不但對經濟造成嚴重的損失，而且會造成人員的傷亡。

3鋼結構體系的優(yōu)勢和劣勢

3.1鋼結構體系的優(yōu)勢

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3.1.1鋼結構重量輕、抗震性強的優(yōu)勢

鋼結構是以工廠化生產的鋼梁、鋼柱為骨架，它與同面積的建筑樓層相比，鋼結構樓的重量可減輕近30％。同時，由于鋼材具有較強的延展性，能較好地消除地震波力，防震性能好，尤其適用于高層建筑。

3.1.2鋼結構建筑占地面積小，具有良好的空間感

鋼結構建筑在設計中可以具有更好的空間靈活性、開放性、使在施工中占居面積小，樓內空間的靈活性和自由度為建筑師和結構師提供更多設計思維。

3.2鋼結構體系的劣勢

3.2.1鋼結構中的失穩(wěn)性

鋼結構的失穩(wěn)主要是指支撐問題，支撐問題往往被設計者或施工者所忽視，這也是造成整體失穩(wěn)的原因之一。在吊裝中由于吊點位置的不同，桁架或網架的桿件受力可能變號，造成失穩(wěn)；腳手架傾覆、坍塌或變形大多是因為連桿不足、沒有支撐造成的。

3.2.2鋼結構中的腐蝕性

鋼結構中鋼材的抗腐蝕性能較差，同樣是直接影響鋼結構劣勢之一。室內外環(huán)境的濕度較大、有侵蝕性介質中，會較快地生銹腐蝕，削弱了構件的承載力。

我國對鋼筋混凝土屋架、木屋架、鋼木屋架和鋼屋架等的事故統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，鋼屋架出現(xiàn)倒塌事故占38．62％，而由于腐蝕并缺乏維修的原因占比重很大。

4鋼結構體系穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

近二三十年來,高強度鋼材的使用,施工技術的發(fā)展以及電子計算機的應用使鋼結構體系的發(fā)展和廣泛應用成為可能。鋼結構體系的穩(wěn)定性一直是國內外學者們關注的研究領域。經過幾十年的研究,已取得不少研究成果。

迄今為止,對鋼結構基本構件的理論問題的研究已較多,基于各種數值分析的穩(wěn)定分析已較成熟。但對構件整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的相互作用的理論和設計應用上還有待進行深入的研究。

由于結構失穩(wěn)是網殼結構破壞的重要原因,所以網殼結構的穩(wěn)定性是一個非常重要的問題,正確的進行網殼結構尤其是單層網殼結構的穩(wěn)定性分析與設計是保證網殼的安全性的關鍵。自六十年代以來,網殼結構的非線性穩(wěn)定性分析一直是國內外學者們努力研究的領域。國內外的許多研究人員對此進行了多方面的理論分析和研究,各種方法的研究如牛頓-拉斐遜迭代法、弧長法、廣義逆法、人工彈簧法、自動求解技術、能量平衡技術等,使得跟蹤屈服問題全過程,得到結構的下降段曲線成為可能。國內學者關于網殼結構穩(wěn)定性也進行了大量研究。在國外研究的基礎上,通過精確化的理論表達式、合理的路徑平衡跟蹤技術及迭代策略,實現(xiàn)了復雜結構體系的幾何非線性全過程分析,取得了規(guī)律性的成果。同時利用隨機缺陷模態(tài)法和一致缺陷模態(tài)法兩種方法,對網殼結構各種初始缺陷的影響進行研究,較好地描述了結構的實際承載過程。也有一些學者進行了實驗方面的研究,對不同分析方法的有效性和精確性進行了說明,對網殼結構的動力失穩(wěn)機理、穩(wěn)定準則、動力后屈曲等問題進行了研究。對于象網殼結構這類缺陷性

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敏感結構在強風和地震作用下的動力穩(wěn)定性研究,由于涉及穩(wěn)定理論和震動理論,所以難度較大,目前研究成果還很有限。

大跨度網架拱結構作為一種新的大跨度結構,其穩(wěn)定性方面的研究成果很少。一些研究人員采用非線性有限元理論對大跨度網架拱結構的穩(wěn)定性進行了全過程跟蹤,得出一些具有實際應用價值的結論。斜拉空間網格結構是一種新型的雜交空間結構,目前對其研究的深度和廣度還很有限。外斜拉單層網殼的穩(wěn)定性也需要進一步研究。已有研究將網架結構對柱子的支撐作用及網架結構對斜拉索在網架結構平面的約束簡化為等效彈簧,對柱子的穩(wěn)定性進行了研究,得出了一些比較合理的結論。預張拉結構體系也是目前應用越來越多的一種新型結構體系,這種體系的系統(tǒng)理論研究在很大程度上滯后于實際應用,特別是預張拉結構體系的穩(wěn)定性的研究未引起足夠重視,研究成果還十分有限。預應力索結構體系在工作狀態(tài)外荷載的作用下也可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。

一些研究人員對結構的體系性質和結構穩(wěn)定性判定方法進行了研究并對實際設計計算提出了兩種方法-直接驗算法和穩(wěn)定設計法,,為進一步研究提供了一些理論指導。

另外,也有學者從整體穩(wěn)定的角度對鋼框架結構的穩(wěn)定問題進行了研究,并得出了一些不錯的成果。

5鋼結構體系穩(wěn)定性研究中存在的問題

鋼結構體系穩(wěn)定性研究雖然取得了一定的進展,但也存在一些不容忽視的問題:(1)目前在網殼結構穩(wěn)定性的研究中,梁-柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁-柱單元是否能真實反映網殼結構的受力狀態(tài)還很難說,雖然有學者對梁-柱單元進行過修正,但是還很不夠,主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應。

(2)在大跨度結構設計中整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的相互關系也是一個值得探討的問題,目前大跨度結構設計中取一個統(tǒng)一的穩(wěn)定安全系數,未反映整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的關聯(lián)性。

(3)預張拉結構體系的穩(wěn)定設計理論還很不完善,目前還沒有一個完整合理的理論體系來分析預張拉結構體系的穩(wěn)定性。

(4)鋼結構體系的穩(wěn)定性研究中存在許多隨機因素的影響,目前結構隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結構參數、隨機荷載輸入這樣一個格局范圍,而在實際工程中,由于結構參數的不確定性,會引起結構響應的顯著差異。所以應著眼于考慮隨機參數的結構極值失穩(wěn)、干擾型屈曲、跳躍型失穩(wěn)問題的研究。

6鋼結構穩(wěn)定設計原則

根據鋼體實際穩(wěn)定設計中的問題，針對性提出了結構設計的三項原則，以從更加深入的方面來闡明結構設計中穩(wěn)定性原則。

6.1結構整體布置必須嚴把細節(jié)體系的穩(wěn)定性規(guī)范

現(xiàn)今，鋼結構是按照建筑平面體系來設計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結構不致出平面失穩(wěn)，需要從結構整體布置來解決，亦即設計必要的支撐構件。這就是說，平面結構構件的出平面穩(wěn)定計算必須和結構布置相一致。就如上述的19９8年澳

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大利亞商務平臺屋蓋結構塌落，1996年韓國某體育場看臺屋蓋塌落，這兩次事故都和沒有設置適當的支撐而造成出平面失穩(wěn)。

6.2鋼結構的細部構造和構件協(xié)調性的穩(wěn)定計算要精確核實，保證兩者的一致性。

結構計算和構造設計相符合，一直是結構設計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點連接，應分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節(jié)點應盡量減少桿件偏心這些都是設計者處理構造細部時必須認識到的。

6.3涉及穩(wěn)定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。

例如，簡支梁就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內轉動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內轉動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。

7結語

近年來，鋼結構體系中穩(wěn)定性設計已成為建筑結構行業(yè)的新型發(fā)展趨勢。穩(wěn)定問題一直是鋼結構設計的關鍵問題之一,鋼結構體系的廣泛應用也使穩(wěn)定問題的研究有了快速和全面的發(fā)展。對鋼結構的穩(wěn)定問題進行進一步的深入研究將極大地促進鋼結構建筑行業(yè)的良性發(fā)展，從根本上減少安全隱患和經濟損失。

8參考文獻

[1]譚磊，鋼結構穩(wěn)定問題的可靠性研究探討，陜西建筑，201*年1月[2]黃東升，建筑結構設計，東南大學出版社，201*

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