论钢结构设计中的稳定问题

孙红梅

【摘要】钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡。本文介绍了钢结构稳定设计的基本概念，分析了钢结构稳定设计和施工原则。

【关键词】钢结构，稳定设计，施工原则

【 abstract 】 steel in the stability problem is steel structure design of the main problems for solving, once appear, the steel structure of the instability accident, not only for the economy caused heavy losses, but also caused the personnel casualties. This paper introduces the design of the steel structure stability basic concept, this paper analyzes the design and construction of steel structure stability principle.

【 key words 】 steel structure, stable design, construction principle

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故，其中影响最大的是1907 年加拿大魁北克一座大桥在施工中破坏， 9000 吨钢结构全部坠入河中，桥上施工的人员75 人遇难。破坏是由于悬臂的受压下弦失稳造成的。而美国哈特福特城的体育馆网架结构，平面 92m x 110m,突然于 1978年破坏而落地，破坏起因可能是压杆屈曲。以及1988 年加拿大一停车场的屋盖结构塌落， 1985 年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的支撑有关。在我国 1988 年也曾发生 l3.2 xl7.99m网架因腹杆稳定位不足而在施工过程中塌落的事故。从上可以看出，钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题，一旦出现了钢结构的失稳事故，不但对经济造成严重的损失，而且会造成人员的伤亡，所以我们在钢结构设计中，一定要把握好这一关。目前，钢结构中出现过的失稳事故都是由于设计者的经验不足，对结构及构件的稳定性能不够清楚，对如何保证结构稳定缺少明确概念，造成一般性结构设计中不应有的薄弱环节。另一方面是由于新型结构的出现，如空间网架，网壳结构等，设计者对其如何设计还没有完全的了解。

一、钢结构稳定设计的基本概念

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由荷载所引起地最大应力（或内力）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，可取它的最大强度，对钢材则常取它的屈服点。

2、钢结构失稳的分类

（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）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。

（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之后跳跃到另一个稳定平衡状态。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偏心。因此，我们要真正掌握这种构件的性能，就必须了解缺陷对它的影响，其他构件也都有个缺陷影响问题。另一方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。

二、钢结构稳定设计和施工原则

1、结构稳定设计原则

（1）结构整体布置必须考虑整个体系以及各组成部分的稳定性要求。目前, 结构大多数是按照平面体系来设计的,如桁架、 框架都是如此。保证这些平面结构不出现失稳, 需要从结构整体布置来考虑,即必须设置必要的支撑构件。也就是说,结构构件的平面内和平面外的稳定计算必须和结构布置相一致。

（2）结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致。目前设计单层和多层框架结构时, 经常不进行框架稳定分析而是代之以框架柱稳定计算。在采用这种方法时,计算框架稳定时用到的计算长度系数应通过框架整体稳定分析得出,这样才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而,实际框架多种多样, 而设计中为了简化计算工作, 需要设定一些条件。框架各柱的稳定参数及杆件稳定计算的常用方法,往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的, 设计者必须明确所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。

（3）结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合。结构计算和构造设计相符合一直是结构设计中大家都十分关心的问题。对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,这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是,当涉及稳定性能时, 构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如, 简支梁就抗弯强度来说, 对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移,同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了,支座还必须能够阻止梁绕纵轴扭转,同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲,以符合稳定分析所采取的边界条件。现行《钢结构设计规范》第 4 .2.5条已明确规定梁的支座处应采取构造措施以防止梁截面的扭转。

2、钢结构施工安装中的稳定问题

钢结构构件是在特定的状态下使用的。在相对较为随机的施工状态下,其系统或构件的稳定条件会发生较大的变化;所以在安装时, 要充分考虑它在各种条件下的构件单体稳定和结构整体稳定问题, 以确保施工安全。

构件单体稳定问题是指一个构件在工地堆放、 翻身、 吊装、 就位过程中发生弯曲、 弯扭破坏和失稳。因而对于较薄而大的构件均应考虑这一问题。必要时要用临时支撑对构件的弱轴方向进行加固。如单片平面桁架及高宽比相当大的工字梁等。结构整体稳定问题是指结构在吊装过程中支撑体系尚未形成,结构就要承受某些荷载 (包括自重 )。所以在拟定吊装顺序时必须充分考虑到这一因素, 保证吊装过程中每一步结构都是稳定的。若有问题可加临时缆风等措施解决。

3、钢结构稳定设计仍存在和需要注意的几个问题

（1）钢材为弹塑性材料,而目前大多数结构分析还是把结构看成完善的结构体系, 按完全弹性的材料做一阶分析,忽略客观存在的缺陷 (如残余应力、 初弯曲、 初偏心等, 工字钢和 H 形钢残余应力分布见图 1), 使稳定计算和现实结构的稳定承载能力存在较大的差距。尤其残余应力对稳定承载力影响非常复杂,不仅与构件生产工艺有关,还因构件几何

尺寸不同而异。以梁、 柱构件为例, 残余应力在常用的弹塑性失稳状态长度下对稳定承载力有较大影响, 对以弹性状态工作为主以及较短构件的影响较小。

（2）钢结构稳定性研究中存在许多随机因素的影响, 一般情况下,影响钢结构稳定性随机因素可分成三类:物理、几何不确定性;统计不准确性;模型不确定性。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架结构的受力状态还有待研究。只有进一步深入研究这些不稳定因素, 钢结构稳定理论才能进一步完善。

（3）按照极限状态设计法, 结构设计的基本表达式就是S≤R,各种建筑结构设计规范都应当执行这一规则, 规范中的设计计算公式也应当符合基本表达式的形式。然而,现行的《钢结构设计规范》( GB 50017- 2003)中的大部分计算公式,尤其是关于稳定方面的计算表达方式是不符合这个规则的。规范中关于轴心受力构件计算公式是: ≤ f ，显然,这个计算公式与基本表达式的形式是不符的。这样的表达式,不仅没有清楚地表明荷载作用应该小于抗力这一基本关系,反而搅乱了人们对稳定问题的正确理解。钢结构设计规范只要稍微变换一下,就可以解决上述不足。比如将轴心受力构件计算公式改为: N≤ φAf 的形式。此表达式既避免概念模糊,又与按极限状态设计方法的基本表达式一致。其它稳定计算表达式也可做类似的变动。

参考文献：

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