对于钢结构设计中稳定性分析探讨

周岚

摘 要：钢结构与混凝土结构相比，工程成本低，抗震强度高，节省空间。应用高强度的钢材适用于电子计算机普及的当今时代，而建筑施工技术也取得了更广阔的发展空间，因为建筑施工中主要采用的钢结构体系具备了所有适合推广应用的因素，可以在高速时代环境中有一个很好地发展。当然，普及和发展钢结构的同时会暴露出许多设计方面的问题，其中钢结构的稳定性是其最突出的问题。

关键词：钢结构；设计；稳定性

其中最突出的钢结构问题就是其稳定性如何。稳定性在钢结构体系中是至关重要的，对于各类钢结构体系来说关于稳定性的问题是最值得注意的，如果处理不得当就会带来经济上的巨大损失。因此，在设计钢结构的过程中，一定要严格把握好这关，惟有这样，才能减少许多设计中不必要的麻烦，对于保持建筑钢体结构的稳定性要应用更好的办法进行解决。

1 建筑应用钢作为主要构体材料还存在许多问题

1.1 论述关于钢体结构的强度和稳定度的区别有很多。强度的定义就是：结构或单体构架处于平衡状态时，被负载引起的最大应力，由此引出最大强度的概念即为：负载超过建筑材料的最大承受时所受到的应力。强度是一个应力，确定材料的同时也就确定了最大强度的极限值，因为材料的特性决定了最大强度的取值，如使用混凝这一类脆性材料便可取到它的最大强度用来构造建筑，而像钢材类的材料，最大的强度要取它的屈服点。相较之下，结构外荷载与内部抵抗力间不稳定的平衡状态就是稳定问题的主要体现。当轴压柱的结构不稳定时，侧向挠度会使弯矩的压力增大，使柱子的载重远远超过了其负荷。所以，柱子被破坏的原因并不是轴压强度所造成的。

1.2 就如今形势来说，应用梁-柱理论作为研究以网壳结构为主要构象的建筑工具。但是就现今科学水平而言，尽管还不知道梁-柱理论能否正确反映其结构中的受力状态，但是研究表明关键在于耦合效应的确是影响网壳结构的重要因素。

1.3 针对飞跃性的设计结构而言，虽然已经统一了一个数字作为确定结构是否稳定的安全系数，可这个系数确无法清楚的体现结构整体与局部稳定的关联性。所以在探讨大跨度结构设计中整体与结构的稳定关联性的问题上至今还未得到解决。

1.4 至今还没有出现一个体系可以完整准确的预测建筑结构体系中的稳定性如何，因此在预测张拉结构体系的稳定设计还需不断完善不断加强才是。

1.5 关于钢体结构的影响因素诸多。结构中出现的不定因素会很大程度的影响分析结果。分析中大多依靠几个结构参数，以及随机输入的荷载，而实际工程中，由于大多数的结构参数不确定，也就引起了结构响应出现显著差异。对于钢结构的稳定性有许多问题是值得注意的，针对干扰型屈曲、结构极值失稳、跳跃性失稳等问题要准备相对应的应对策略。

2 钢结构稳定性的分析方法

2.1 静力法

根据已有的受理条件建立所需要的微分方程，但要在结构出现微小变形后才可使用静力平衡法即为平衡法，之后求解临界荷载。并假设条件为构建为等截面的直线；变形力以及应用材料均满足胡克定律，变形力的传递方向也是沿着构件原有的轴线，当构件在变形力的作用下产生的形变不明显时可利用二阶导公式进行近似数值上的表达。

2.2 能量法

能量法的具体定义是：对稳定承载力数值上的近似求法即为利用势能驻值原理以及能量守恒定律。

2.2.1 针对求解临界负荷值可以利用能量守恒定律

能量守恒的定义即为：一个体系保持平衡状态时，外界做的功与它自身产生的形变能数值相等。即有公式ΔU=ΔW

2.2.2 针对求解临界负荷值可以应用势能驻值原理

利用数学公式即可表达为dΠ=dU-dW=0，其中dU使虚位移引起结构上的应变能发生改变的变化值，并且数值始终为正，外力作用于虚位移的功用ΔW表示。关于势能驻值原理的具体内容：外力作用与体系时，结构产生的微小位移而此时体系结构的总是势能大小保持不变，称此时的状态为平衡状态。

2.3 动力法

当体系处于平衡状态时，若对该体系的结构进行微弱的干扰，则结构所产生的加速度与体系结构上的最大负载量有着紧密联系。加速的的方向改变时会影响所承受荷载小于极限荷载。所谓的极限荷载是指在结构处于稳定状态时，所能承受的最大荷载。当对体系的微弱干扰消失时，结构将处于静止的平衡状态，运动状态也会停止；相对的，加速度同向的时候，是由于荷载超过了极限荷载。当干扰消失以后其平衡状态也会处于不稳定的状态之中，其运动的状态也会更趋向于发散状，当此结构的振动频率为零时，所谓的屈曲荷载就是临界状态荷载为结构，便可得解。

3 计算钢结构的稳定性的方法

3.1 利用高等分析法对结构进行整体设计

直接计算出框架的承载力将框架作为整体结构，是高等分析法中的常用方法，若将框架进行拆卸然后使其成为梁和柱用在计算过程中就显得多余了。在计算过程中只要应用框架的几何长度即可解决问题，这也更加符合设计的要求。下面列出几种常见的高等分析法：（1）改进弹塑性铰（2）再折减切线模量法（3）等效假想荷载塑性铰法（4）弹塑性铰法（5）塑性区法或塑性分布法

3.2 二阶分析法

对框架结构的整体二阶效应进行精确考虑时最宜采用二阶弹性分析，这也是出自《规定》的第328条规定的。在利用二阶导弹性分析方法对结构中的内力进行详细计算时，不仅要猜测水平力的大小同时也要考虑到框架结构中的几何长度大约为多少。在结构中央施加水平力的时候要重点关注不稳定作用可增大侧移量这一影响因素。

总而言之，在设计过程中要着重避免结构出现失稳的现象，这就更需要设计好钢结构中的具体构件，保证其稳定性能达到最佳程度。只有确保设计人员的知识面广经验丰富，才能对其设计的钢结构的稳定性有更好的保证，而且为了不给设计工程造成不必要的经济损失，就需要设计人员提前对新结构的具体了解和学习认知，只有通过不断的学习才能设计出稳定性更好地钢结构作品。

参考文献

[1] 郑玉峰.钢结构稳定性设计探析[J].科技资讯，2011（08）.

[2] 张涛，任前进.浅谈钢结构稳定性设计[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2011（05）.

[3] 孙菁丽.钢结构设计中稳定性分析探讨[J].中国新技术新产品，2010 （08）.