解析影响钢结构稳定性设计的一些因素

程博

（广东省建筑设计研究院　广东　广州　510010）

解析影响钢结构稳定性设计的一些因素

程博

（广东省建筑设计研究院广东广州510010）

本文主要对于影响钢结构稳定性设计的因素进行研究以及说明，首先对钢结构发轫相关内容进行介绍，包括其定义以及失稳种类，接着对钢结构的特点以及原则给予详细的研究以及说明，着重对影响钢结构问题的因素进行探讨，并且还提出了加固钢结构的方法，最后对全文进行总结，提出提升钢结构稳定性的发展方向。

钢结构；稳定性；设计；影响因素

1　引言

随着社会经济的不断进步与发展，钢结构的体系和规模相应也得到了快速的发展。同时伴随着逐年不断增多的钢结构工程项目，业内对于钢结构理论的建筑使用设计也日益体系化和科学化。与以往传统的建筑材料相比，钢结构具有施工时间较短、重量较轻、强度较高等特点，并且可以达到省碳节能减排的作用。由此，在建筑工程当中，建筑钢结构被广泛的应用。不过，虽然钢结构具有许多的优点，然而对其稳定性的控制却也是钢结构在规划设计中需要不断解决的重要问题。为此，本文将对一些影响钢结构稳定性设计的相关因素进行了解与分析。

2　钢结构的稳定性

2.1概念

结构的稳定是指，在有外界扰乱的状况下，设计出来的结构是否依然保持最初的平衡状态，以避免危险的发生。相反，失稳是指，在有外界扰乱的情况下，在结构上出现了一些失衡的现象，最初原始的状态被改变。

2.2失稳的分类

①分支点失稳，即平衡分岔的稳定性能情况，轴心受压，圆环、直杆、窄梁因此都有可能出现分支点失稳的现象。②极值点失稳，即无平衡分岔的稳定情况，相对来说此种现象较为普遍，经常出现在钢结构设计当中，一般情况下，在实际具体操作中会把极值点失稳转换为分支点失稳来进行相应处理。③为跳跃失稳，它与极限点失稳、支点失稳均不相同，因为它的稳定状态被破坏以后会进入一种全新的稳定性状态。以下两幅图分别是支点失稳（图1）以及跳跃失稳（图2）的相关展示。

图1　分支点失稳（ABO为荷载侧移曲线）

图2　跳跃失稳

3　钢结构稳定设计的特点及其原则

3.1特点

钢结构中的稳定性问题，这主要是通过在钢结构设计当中来体现出来的。当要对钢结构中的一些受压部位进行规划设计时，要特别注意对钢结构稳定性的研究与探讨，相反，对于那些不受压的部位，它们在使用的过程中会出现一定的不同程度的变形，这种状况会使得原本不受压的部位却又转变成为受压的部位，从而引起了钢结构的失稳状态。通过这种现象，我们发现，在钢结构的稳定性设计当中，要特别注意多方面的因素，因为其具有多样性的特点，同时钢结构的失稳也具有整体性的特点，即当其中的一个部件失稳后产生变形情况，也会相应的使它内部其它的连接部件受到影响而逐渐的也处于失稳当中，因为钢结构主要是通过相应的连接方式从将钢材料重新进行分化组合，如果其中的某种结构存在系统性的缺陷，那么毫无疑问局部也会影响到整体的性能，使得相关性会表现的更加明显，由此这就会导致分析局部及整体之间的关系也更为复杂多变。

3.2原则

3.2.1考虑局部和整体的稳定性

钢结构的稳定性是基于平面体系进行设计的，在实际的钢结构设计过程当中，首先要以平面体系为依托，接着再继续设计桁架及框架等，这种模式的设计方式存在一些难以预料的不确定因素，所以如果要想减少其对钢结构稳定性的影响与制约，那么就要在充分考量钢结构整体布局的前提基础下，设计出具有更强、更好、更具体、更有针对性的支撑结构，也就是说要将钢结构的局部稳定性与整体稳定性进行统筹考虑，确保平面的稳定性与相应的平面构件模式布置相统一，继而提高钢结构的稳定性。

3.2.2保证使用结构计算简图和计算简图一致

大多数设计人员在进行单层与多层框架结构设计时候，经常是直接的去计算框架柱的稳定性能，而并不是直接对框架的稳定性能进行规划分析。使用这种方法计算框架柱的稳定的时候，是需要通过分析框架柱的整体稳定才能得到柱计算长度的系数，由此才能确保柱稳定计算等于框架稳定计算，可是，框架的种类多种多样，在实际真正设计的过程中，设计人员为了简化计算工作，也是可以另外设置一些典型条件，在具体实践中，在依附有摇摆拄的框架以及横梁受有比较大的压力的框架的情况之下，框架计算简图与其所使用的方法、所依据的简图是并不一致的，假如按照原本规范的系数进行逻辑计算，那么都会产生一些不安全的后果。

4　影响钢结构的稳定性因素

4.1构件承载强度影响

构件承载强度会影响钢结构的稳定性能，而其中的截面特征、构件材料的应力等，都有可能会对钢结构的稳定性具有不同的影响。此外钢的整体结构的抗弯曲性能与支撑性能对其本身也有一定的制约影响，由此设计建模也要对对结构进行充分的分析，具体考虑各种因素，如数学模型、所提假设、边界条件、技术水平对其的影响，再者，影响钢结构稳定性能的其他重要因素还有实际承载力与计算的理论值之间出现的差别，因此，各研发人员在稳定性的设计时，这些影响因素都必须要被充分的考虑。

4.2稳定设计理论的影响

①对于钢结构本身而言，其稳定性理论并不是完美无缺的，而在日常工作设计中，研发人员却是尽量的从完善的角度出发的，因此来说很多的随机因素并没有被参考进去，这样以来就会对稳定性造成一定的影响。具体到实际的工程施工当中，由于有限于钢结构参数的不确定性，从而会导致响应上出现差别，所以，在钢结构的稳定性设计的时候就应该着手于考虑随机参数的干扰型屈曲与结构极值失稳以及跳跃型失稳等问题的分析研究。②在钢结构稳定性设计中最大的问题是结构设计中如何反映弯矩和轴力的祸合效应。在大的跨度结构设计当中，设计者经常会选取一个相对来说比较稳定的安全系数，但这并不是一定就能够看出网壳结构其自身真正的受力状态，所以，在结构体系的稳定设计理论还不是非常完善的情况之下，局部与整体之间的稳定性作用关系还是值得我们去研究的。

5　加固钢结构

5.1对结构计算图形进行改变以加固钢结构

这种钢结构加固方式主要是将边界条件、荷载分布状况、节点的性质和传力途径进行适当改变，以期增加一些辅助性质的杆件和支撑性质的结构来进行加固。在结构计算图形当中适当增加辅助杆件和支撑力度，不但能够帮助结构调整自振频率、增强刚度，而且还能够帮助结构增加自身的空间结构等，并通过核算功能使得钢结构稳定性的动力获得提高。同样，这样还能够减少钢结构的长细之间的对比，使得钢结构的稳定性能更强。比如，在排架结构当中，完全可以通过增加柱本身的刚度，在减少柱负荷的条件下提高柱的承受能力，使结构更具有稳定性。

5.2减轻和改变荷载分布以加固钢结构稳定性

这种方式是通过改变受弯杆件的荷载能力，单独将一个端部支撑荷载的承受，转变成为一个有多个端部支撑荷载承受进行加固的模式。比如，要将铰接转变成为钢接的方式，就要在支座的中间单独连接结构转变成为连续连接结构，并且要对支座的位置进行有序调整，同时还可以继续将结构转变为撑杆结构方式，并增加预应力拉杆以取得施加预应力，此外在选取截面进行加固时，特别要注意截面的形式必须要更具实际加固损伤使得其满足加固的要求，这样才能使钢结构更加稳定。

5.3加固固件连接

这种方式是通过采用普通、焊缝或其他高强度的螺栓等方式将钢结构进行连接加固。在加固连接钢结构的时候，必须要根据实际的工程钢结构情况需要进行加固。比如在对钢结构加固的目的、钢结构实际的受力情况等进行分析之后，才能够真正确定固件连接方式。具体来说：①要改变过去的那种单纯以钢材性能为主的技术标准，今后需要集强韧性、焊接性、塑性等性能为一身，争取在综合性能上实现深度的提高。②要对低合金钢进行推广，广泛发展耐蚀、耐火、高韧、高强等多种钢材种类，尽可能的实现钢材种类的多样性的发展。③因为东部沿海省份高强、高韧性能的钢材在实际生活中应用上还比较广泛，西部等偏远地区却对普通钢材的需求比较广泛的现实需求，因此应当依据实际情况具体分析，真正做到钢材的生产加工与社会的经济发展水平上统筹协调的发展。

6　结束语

综上所述，随着社会经济不断迅猛的进步与发展，相应的我国的建筑行业也在不断的发展中飞速向前。同时建筑的安全性也必须更应该引起我们建筑师的关注。在这之中，钢的稳定性设计并不仅仅是简单的将建筑付诸于施工过程阶段即可，它其实是一项责任非常艰巨的工作，因为这将直接影响到人民的生命、安全及建筑工程项目的经济效益。因此，在建筑工程施工中，承办钢结构稳定性设计的单位和相关技术人员需要采用较新的方法及思维，以保证在建筑工程中钢结构的稳定性和安全性。确保钢结构项目工程施工的质量，使得具体从事钢结构设计的工作人员在进行各自的设计时严格遵守相关的章程规划来进行设计，并且要积极的对工程质量的实际情况进行具体详细的理解和解析，进而提高钢结构的稳定性能，这将是促进我国钢结构工程工业快速稳定发展的有效途径。

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[3]龚钢军.钢结构稳定性探讨[J].科技咨询导报，2014（20）：52～58.

[4]郭创新.浅谈钢结构设计中的稳定性分析[J].科技传播，2010，5（4）：36～ 41.

TU318

A

1673-0038（2015）29-0017-02

2015-7-3

程博（1989-），男，硕士研究生，主要从事结构工程研究、建筑结构设计等相关工作。