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摘要：随着时代的变化，有关设计单位和技术人员也需要采用新的理念和方法，保障钢结构在建筑工程中的安全性和稳定性，使得我国的建筑事业在孜孜不倦的摸索中稳定前进。文中对钢结构的稳定设计进行了探讨，以供参考。
关键词： 钢结构 稳定设计 探讨
中图分类号：TU391 文献标识码： A
前言
建筑中钢结构的稳定性设计不是简单的将建筑付诸于施工阶段即可，它是一项责任十分重大的工作，直接关系到人民群众的生命安全和建筑工程的经济收益。总而言之，钢结构稳定性设计在建筑工程中有着不可或缺的重要作用。
一、钢结构稳定设计的基本概念
1、强度与稳定的区别
强度问题指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力( 或内力) 是否超过建筑材料的极限强度, 极限强度取决于材料的特性, 对混凝土等脆性材料取它的最大强度, 对钢材则常取它的屈服点。稳定问题则与强度问题不同,它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态, 即变形开始急剧增长的状态, 从而设法避免进入该状态, 它是一个变形问题。如轴压柱,由于失稳, 侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩,因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然, 轴压强度不是柱子破坏的主要原因。
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, 要真正掌握这种构件的性能, 一方面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。
3、钢结构稳定设计的原则
根据稳定问题在实际设计中的特点，有以下三项原则。
( 1)结构整体布置必须考虑整个体系以及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,如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳, 需要从结构整体布置来解决, 亦即设计必要的支撑构件。这就是说, 平面结构构件的平面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, 这对框架结构的稳定计算十分重要。目前设计单层和多层框架结构时, 经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时, 计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数, 应通过框架整体稳定分析得出, 才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。对单层或多层框架给出的计算长度系数有五条基本假定, 其中包括: 框架中所有柱子是同时丧失稳定的, 即各柱同时达到其临界荷载。按照这条假定, 框架内各柱的稳定参数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, 设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。在实际工程中, 框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还可举出以下两种, 即附有摇摆拄的框架和横梁受有较大压力的框架。这两种情况若按规范的系数计算, 都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。
( 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。结构计算和构造设计相符合, 一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接, 应分别赋与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。
4、钢结构稳定设计特点
( 1) 钢结构失稳, 在形式上具有多样化特点。有时, 某一部位从表面上看并不受压或不是主要受压, 但仍然会出现屈曲失稳问题。例如在简支钢板梁的端部复板处, 一般情况下弯曲正应力较小, 比较大的是剪应力。然而, 纵横两个方向的剪应力相结合, 就可能形成较大的斜向压应力, 并导致复板局部失稳。此外, 结构的某些部位也有可能随结构变形由不受压变为受压而导致失稳。
(2) 对于结构来说, 它是由各个杆件组成为一个整体的。当一个杆件发生失稳变形后, 它必然牵动和它刚性连接的其他杆件。因此, 杆件的稳定性不能就某一根杆件去孤立地分析, 应当考虑其他杆件对它的约束作用。这种约束作用是要从结构的整体分析来确定的, 这就是结构稳定的整体性问题。
(3) 稳定的相关性, 指不同失稳模式的偶合作用。例如, 单轴对称的轴心受压构件, 当在对称平面外失稳时, 呈现既弯又扭的变形, 它是弯曲和扭转的相关屈曲。另外, 局部和整体稳定的相关, 还常见于冷弯薄避型钢构件。其壁板的局部屈曲一般并不立刻导致整体构件丧失承载能力, 但它对整体稳定临界力却有影响。对于存在缺陷的杆件来说, 局部和整体之间相互影响更具有复杂性。
(4) 稳定计算的其它特点: 在弹性稳定计算中,除了需要考虑结构的整体性外, 还要做二阶分析,这种分析对柔性构件尤为重要, 这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响, 其次, 普遍用于应力问题的迭加原理, 在弹性稳定计算中不能应用。
二、钢结构稳定性设计要点
钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题：
1、目前在网壳结构稳定性的研究中，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壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁- 柱单元进行过修正。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。
2、在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。
3、预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。
4、钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。从上面可以看出，我们的钢结构稳定理论还是不够完善，我们在设计中一般都是把钢结构看成是完善的结构体系，针对上述问题我们可以看出在设计中我们没有考虑一些随机因素的影响。但是我們在考虑这些因素之前，应该弄清楚这些随机因素的来源，一般情况下把影响钢结构稳定性随机因素分为三类：
（1）物理、几何不确定性：如材料（弹性模量，屈服应力，泊松比等）、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。
（2）统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数,因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏信息造成的。
（3）模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。
结束语
钢结构稳定问题区别于强度问题。在实际设计中, 设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能, 以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。
参考文献
[1] 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)
[2] 韩畅华.新型钢结构稳定性设计研究[J]. 广东科技. 2007(07)
[3] 郭东海.钢结构稳定设计的探讨[J]. 黑龙江科技信息. 2011(23)
[4] 龚海龙,侯舒兰.钢结构稳定性设计的研究与分析[J]. 科技传播. 2010(13)
关键词： 钢结构 稳定设计 探讨
中图分类号：TU391 文献标识码： A
前言
建筑中钢结构的稳定性设计不是简单的将建筑付诸于施工阶段即可，它是一项责任十分重大的工作，直接关系到人民群众的生命安全和建筑工程的经济收益。总而言之，钢结构稳定性设计在建筑工程中有着不可或缺的重要作用。
一、钢结构稳定设计的基本概念
1、强度与稳定的区别
强度问题指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起的最大应力( 或内力) 是否超过建筑材料的极限强度, 极限强度取决于材料的特性, 对混凝土等脆性材料取它的最大强度, 对钢材则常取它的屈服点。稳定问题则与强度问题不同,它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态, 即变形开始急剧增长的状态, 从而设法避免进入该状态, 它是一个变形问题。如轴压柱,由于失稳, 侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩,因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然, 轴压强度不是柱子破坏的主要原因。
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, 要真正掌握这种构件的性能, 一方面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。
3、钢结构稳定设计的原则
根据稳定问题在实际设计中的特点，有以下三项原则。
( 1)结构整体布置必须考虑整个体系以及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,如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳, 需要从结构整体布置来解决, 亦即设计必要的支撑构件。这就是说, 平面结构构件的平面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, 这对框架结构的稳定计算十分重要。目前设计单层和多层框架结构时, 经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时, 计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数, 应通过框架整体稳定分析得出, 才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。对单层或多层框架给出的计算长度系数有五条基本假定, 其中包括: 框架中所有柱子是同时丧失稳定的, 即各柱同时达到其临界荷载。按照这条假定, 框架内各柱的稳定参数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, 设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。在实际工程中, 框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还可举出以下两种, 即附有摇摆拄的框架和横梁受有较大压力的框架。这两种情况若按规范的系数计算, 都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。
( 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。结构计算和构造设计相符合, 一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接, 应分别赋与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。
4、钢结构稳定设计特点
( 1) 钢结构失稳, 在形式上具有多样化特点。有时, 某一部位从表面上看并不受压或不是主要受压, 但仍然会出现屈曲失稳问题。例如在简支钢板梁的端部复板处, 一般情况下弯曲正应力较小, 比较大的是剪应力。然而, 纵横两个方向的剪应力相结合, 就可能形成较大的斜向压应力, 并导致复板局部失稳。此外, 结构的某些部位也有可能随结构变形由不受压变为受压而导致失稳。
(2) 对于结构来说, 它是由各个杆件组成为一个整体的。当一个杆件发生失稳变形后, 它必然牵动和它刚性连接的其他杆件。因此, 杆件的稳定性不能就某一根杆件去孤立地分析, 应当考虑其他杆件对它的约束作用。这种约束作用是要从结构的整体分析来确定的, 这就是结构稳定的整体性问题。
(3) 稳定的相关性, 指不同失稳模式的偶合作用。例如, 单轴对称的轴心受压构件, 当在对称平面外失稳时, 呈现既弯又扭的变形, 它是弯曲和扭转的相关屈曲。另外, 局部和整体稳定的相关, 还常见于冷弯薄避型钢构件。其壁板的局部屈曲一般并不立刻导致整体构件丧失承载能力, 但它对整体稳定临界力却有影响。对于存在缺陷的杆件来说, 局部和整体之间相互影响更具有复杂性。
(4) 稳定计算的其它特点: 在弹性稳定计算中,除了需要考虑结构的整体性外, 还要做二阶分析,这种分析对柔性构件尤为重要, 这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响, 其次, 普遍用于应力问题的迭加原理, 在弹性稳定计算中不能应用。
二、钢结构稳定性设计要点
钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也存在一些不容忽视的问题：
1、目前在网壳结构稳定性的研究中，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壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁- 柱单元进行过修正。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。
2、在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关联性。
3、预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。
4、钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。从上面可以看出，我们的钢结构稳定理论还是不够完善，我们在设计中一般都是把钢结构看成是完善的结构体系，针对上述问题我们可以看出在设计中我们没有考虑一些随机因素的影响。但是我們在考虑这些因素之前，应该弄清楚这些随机因素的来源，一般情况下把影响钢结构稳定性随机因素分为三类：
（1）物理、几何不确定性：如材料（弹性模量，屈服应力，泊松比等）、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。
（2）统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数,因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏信息造成的。
（3）模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。
结束语
钢结构稳定问题区别于强度问题。在实际设计中, 设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能, 以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。
参考文献
[1] 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)
[2] 韩畅华.新型钢结构稳定性设计研究[J]. 广东科技. 2007(07)
[3] 郭东海.钢结构稳定设计的探讨[J]. 黑龙江科技信息. 2011(23)
[4] 龚海龙,侯舒兰.钢结构稳定性设计的研究与分析[J]. 科技传播. 2010(13)