论文部分内容阅读
【摘 要】 随着钢铁工业的发展和钢结构自身的高性能，其在许多行业都有很好的应用，甚至是不可或缺的材料。文章对钢结构稳定性设计进行探讨，具有一定的借鉴意义。
【关键词】 钢结构；设计；稳定性；强度；原则
稳定性是钢结构工程中需要重点考虑的内容之一，现实生活中因钢结构失稳造成的工程事故案例也比较多，如美国哈特福特城的体育馆平面92m×110m的网架结构，突然于1978年坠落地面，原因是由于压杆屈曲失稳；1988年我国也曾经发生13.2m×18.0m钢网架因腹杆稳定不足在施工过程中塌落的事故；2010年1月3日下午，昆明新机场38m钢结构桥跨突然垮塌，造成7人死亡、8人重伤、26人轻伤，原因是桥下钢结构支撑体系突然失稳，8m高的桥面随即垮塌下来。从上述案例可以看出，钢结构失稳破坏的原因通常是其结构设计不合理，存在结构设计缺陷所致，要从根本上杜绝此类事的发生，钢结构稳定性设计是关键。
1、钢结构稳定性的基本概念分析
（1）稳定与强度的不同之处。
所谓强度问题，指的是在稳定平衡状态下的单个构件或者结构，施加外荷载而引发的最大应力时，是否突破了建筑材料的极限强度，从这个角度来讲，是一个应力问题。稳定问题则与之有着很大的区别，稳定问题的重点在于找出结构内部抵抗力与外部荷载间的不稳定平衡状态，主要包括变形开始急剧上升的状态，并使自身尽量避免进入该状态区域。由以上的分析可知，稳定问题属于变形问题。
（2）钢结构失稳的类型。
第一类钢结构稳定问题也叫做平衡分岔的稳定问题，也被称为分支点失稳。例如，完善平板中面受压时的屈曲以及完善直杆轴心受压时的屈曲，都可以归入此类中。第二类钢结构稳定问题也叫做无平衡分岔的稳定问题，也被称为极值点失稳。例如，一些材料为建筑钢材的偏心受压构件，当其塑型发展到某种程度时，就会失去稳定的能力。跃越失稳：这种失稳类型明显不同于以上所提及的两种类型，跃越失稳既没有极值点，也不存在平衡分岔点，而是在稳定平衡丧失之后接着进入下一个稳定平衡状态。
2、钢结构稳定设计存在问题分析
（1）目前在网壳结构稳定性的研究中，梁一柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁一柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁一柱单元进行过修正，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）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。结构计算简图需与实用计算方法所依据的简图一致。某工程实例中，当设计单层或多层框架结构时，通常不做框架稳定分析而只做框架柱的稳定计算。《钢结构设计规范》（GB50017-2003）对单层或多层框架给出的柱计算长度系数采用了5条基本假定，其中包括：“框架中的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，框架各柱的稳定参数、杆件稳定计算的常用方法，是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者需确认所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。
3、钢结构稳定设计遵循的原则
根据钢结构设计中的稳定性问题，在实际设计时，为了使钢结构稳定设计中构件不发生失稳，以下的三项原则是必须遵守的。
（1）钢结构的整体设计必须兼顾各个组成部分以及整个体系对于稳定性的特定要求。当前，我国大部分钢结构设计都是以平面体系为出发点，例如，在桁架设计与框架设计中均是如此。为了使这类平面结构避免发生平面失稳事件，必须从其结构的整体布局作为出发点，设计有针对性的支撑构件。意即：必须保证平面结构构件的结构布置与平面稳定计算之间的一致性。例如，塔架由平面桁架组成，就需要在横隔设置和杆件的稳定之间多加注意。
（2）在进行实用计算时，采取的简图必须与结构计算简图相符，这也是保证框架结构的稳定计算的重要条件。当前，在一些钢结构设计中，对单层和多层框架结构设计之前，以框架柱的稳定计算来替代框架稳定分析，这种方式应通过框架整体稳定分析得出框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，才能最终使框架稳定计算等效于柱稳定计算。在GBJl7-88规范中，针对框架给出的计算长度系数，有几条基本的假定条件，比如“框架中所有柱子是同时失去稳定的，即各柱同时达到其临界荷载”。在这个假定之下，在对钢结构框架进行稳定参数杆件稳定计算时，通常会将经过了简化的条件或者典型情况当作依据。
（3）必须满足构件的稳定计算与设计结构的细部构造之间的一致性。在钢结构的设计中，设计者都应注意使构造设计和结构计算互相匹配。对一些节点的连接，应区分其传递弯矩还是不传递弯矩，从而有针对性的赋予其它足够的刚度和柔度，在桁架节点的设计中，应在减少杆件偏心上做足功夫，这些都属于对构造细部的设计和处理，也是设计者应经常考虑到的。但是具体到钢结构的稳定性能时，具体的构造对于不同于强度的要求也有所不同，这些情况也要加以综合考虑。
4、钢结构稳定性的分析方法
钢结构稳定问题的分析都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究的结构或构件失稳时出现的变形相对应。结构变形与荷载之间呈非线性关系，稳定计算是非线性几何问题，采用的是二阶分析方法。
4.1静力法
静力法即静力平衡法，是根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程，然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定：
1）构件是等截面直杆。
2）压力始终沿构件原来轴线作用。
3）材料符合胡克定律，即应力与应变成线性关系。
4）构件符合平截面假定，即构件變形前的平截面在变形后仍为平截面。
5）构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。根据以上假定条件可建立平衡微分方程，代人相应的边界条件，即可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。
4.2能量法
能量法是求解稳定承载力的一种近似方法，通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。
1）能量守恒原理求解临界荷载保守体系处在平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，即能量守恒原理。
2）势能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指：受外力作用的结构，当位移有微小变化而总势能不变，即总势能有驻值时，结构处于平衡状态。
4.3动力法
处于平衡状态的结构体系，如果施加微小干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相反，所以干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的：当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相同，即使撤去干扰，运动仍是发散的，因此结构的平衡状态是不稳定的。
5、结束语
钢结构在整个设计过程中都应该强调“概念设计”，只有熟练掌握稳定性相关的概念，才能熟知设计中薄弱环节，正确分析和设计。随着钢结构的发展，对设计者的要求也越来越高，及时了解钢结构设计中出现的新问题，有助于提高设计的质量。总之，只有深入了解钢结构设计的相关知识和相关问题才能使钢结构稳定理论设计不断完善。
参考文献：
[1] GB50017，钢结构设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
[2]吴建有.钢结构设计原理[M].北京：中国建材工业出版社，2000（7）.
[3]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
【关键词】 钢结构；设计；稳定性；强度；原则
稳定性是钢结构工程中需要重点考虑的内容之一，现实生活中因钢结构失稳造成的工程事故案例也比较多，如美国哈特福特城的体育馆平面92m×110m的网架结构，突然于1978年坠落地面，原因是由于压杆屈曲失稳；1988年我国也曾经发生13.2m×18.0m钢网架因腹杆稳定不足在施工过程中塌落的事故；2010年1月3日下午，昆明新机场38m钢结构桥跨突然垮塌，造成7人死亡、8人重伤、26人轻伤，原因是桥下钢结构支撑体系突然失稳，8m高的桥面随即垮塌下来。从上述案例可以看出，钢结构失稳破坏的原因通常是其结构设计不合理，存在结构设计缺陷所致，要从根本上杜绝此类事的发生，钢结构稳定性设计是关键。
1、钢结构稳定性的基本概念分析
（1）稳定与强度的不同之处。
所谓强度问题，指的是在稳定平衡状态下的单个构件或者结构，施加外荷载而引发的最大应力时，是否突破了建筑材料的极限强度，从这个角度来讲，是一个应力问题。稳定问题则与之有着很大的区别，稳定问题的重点在于找出结构内部抵抗力与外部荷载间的不稳定平衡状态，主要包括变形开始急剧上升的状态，并使自身尽量避免进入该状态区域。由以上的分析可知，稳定问题属于变形问题。
（2）钢结构失稳的类型。
第一类钢结构稳定问题也叫做平衡分岔的稳定问题，也被称为分支点失稳。例如，完善平板中面受压时的屈曲以及完善直杆轴心受压时的屈曲，都可以归入此类中。第二类钢结构稳定问题也叫做无平衡分岔的稳定问题，也被称为极值点失稳。例如，一些材料为建筑钢材的偏心受压构件，当其塑型发展到某种程度时，就会失去稳定的能力。跃越失稳：这种失稳类型明显不同于以上所提及的两种类型，跃越失稳既没有极值点，也不存在平衡分岔点，而是在稳定平衡丧失之后接着进入下一个稳定平衡状态。
2、钢结构稳定设计存在问题分析
（1）目前在网壳结构稳定性的研究中，梁一柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁一柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说，虽然有学者对梁一柱单元进行过修正，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）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。结构计算简图需与实用计算方法所依据的简图一致。某工程实例中，当设计单层或多层框架结构时，通常不做框架稳定分析而只做框架柱的稳定计算。《钢结构设计规范》（GB50017-2003）对单层或多层框架给出的柱计算长度系数采用了5条基本假定，其中包括：“框架中的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，框架各柱的稳定参数、杆件稳定计算的常用方法，是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者需确认所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。
3、钢结构稳定设计遵循的原则
根据钢结构设计中的稳定性问题，在实际设计时，为了使钢结构稳定设计中构件不发生失稳，以下的三项原则是必须遵守的。
（1）钢结构的整体设计必须兼顾各个组成部分以及整个体系对于稳定性的特定要求。当前，我国大部分钢结构设计都是以平面体系为出发点，例如，在桁架设计与框架设计中均是如此。为了使这类平面结构避免发生平面失稳事件，必须从其结构的整体布局作为出发点，设计有针对性的支撑构件。意即：必须保证平面结构构件的结构布置与平面稳定计算之间的一致性。例如，塔架由平面桁架组成，就需要在横隔设置和杆件的稳定之间多加注意。
（2）在进行实用计算时，采取的简图必须与结构计算简图相符，这也是保证框架结构的稳定计算的重要条件。当前，在一些钢结构设计中，对单层和多层框架结构设计之前，以框架柱的稳定计算来替代框架稳定分析，这种方式应通过框架整体稳定分析得出框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，才能最终使框架稳定计算等效于柱稳定计算。在GBJl7-88规范中，针对框架给出的计算长度系数，有几条基本的假定条件，比如“框架中所有柱子是同时失去稳定的，即各柱同时达到其临界荷载”。在这个假定之下，在对钢结构框架进行稳定参数杆件稳定计算时，通常会将经过了简化的条件或者典型情况当作依据。
（3）必须满足构件的稳定计算与设计结构的细部构造之间的一致性。在钢结构的设计中，设计者都应注意使构造设计和结构计算互相匹配。对一些节点的连接，应区分其传递弯矩还是不传递弯矩，从而有针对性的赋予其它足够的刚度和柔度，在桁架节点的设计中，应在减少杆件偏心上做足功夫，这些都属于对构造细部的设计和处理，也是设计者应经常考虑到的。但是具体到钢结构的稳定性能时，具体的构造对于不同于强度的要求也有所不同，这些情况也要加以综合考虑。
4、钢结构稳定性的分析方法
钢结构稳定问题的分析都是针对在外荷载作用下结构存在变形的条件下进行的，此变形应该与所研究的结构或构件失稳时出现的变形相对应。结构变形与荷载之间呈非线性关系，稳定计算是非线性几何问题，采用的是二阶分析方法。
4.1静力法
静力法即静力平衡法，是根据已发生了微小变形后结构的受力条件建立平衡微分方程，然后解出临界荷载。在建立平衡微分方程时遵循如下基本假定：
1）构件是等截面直杆。
2）压力始终沿构件原来轴线作用。
3）材料符合胡克定律，即应力与应变成线性关系。
4）构件符合平截面假定，即构件變形前的平截面在变形后仍为平截面。
5）构件的弯曲变形是微小的，曲率可以近似地用挠度函数的二阶导数表示。根据以上假定条件可建立平衡微分方程，代人相应的边界条件，即可解得两端铰支的轴压构件的临界荷载。
4.2能量法
能量法是求解稳定承载力的一种近似方法，通过能量守恒原理和势能驻值原理求解临界荷载。
1）能量守恒原理求解临界荷载保守体系处在平衡状态时，贮存在结构体系中的应变能等于外力所做的功，即能量守恒原理。
2）势能驻值原理求解临界荷载。势能驻值原理指：受外力作用的结构，当位移有微小变化而总势能不变，即总势能有驻值时，结构处于平衡状态。
4.3动力法
处于平衡状态的结构体系，如果施加微小干扰使其发生振动，这时结构的变形和振动加速度都和已经作用在结构上的荷载有关。当荷载小于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相反，所以干扰撤去后，运动趋于静止，结构的平衡状态是稳定的：当荷载大于稳定的极限荷载值时，加速度和变形的方向相同，即使撤去干扰，运动仍是发散的，因此结构的平衡状态是不稳定的。
5、结束语
钢结构在整个设计过程中都应该强调“概念设计”，只有熟练掌握稳定性相关的概念，才能熟知设计中薄弱环节，正确分析和设计。随着钢结构的发展，对设计者的要求也越来越高，及时了解钢结构设计中出现的新问题，有助于提高设计的质量。总之，只有深入了解钢结构设计的相关知识和相关问题才能使钢结构稳定理论设计不断完善。
参考文献：
[1] GB50017，钢结构设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
[2]吴建有.钢结构设计原理[M].北京：中国建材工业出版社，2000（7）.
[3]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.