淺析鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計

李芳

摘 要：隨著城市建筑技術(shù)的發(fā)展，越來越多的大跨度、超高層建筑出現(xiàn)在我們的視線中，這些建筑大多數(shù)應(yīng)用了鋼結(jié)構(gòu)，使鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)的發(fā)展擁有了十分廣闊的前景，本文結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計提出了設(shè)計中需要明確的設(shè)計概念，并將結(jié)構(gòu)涉及到的穩(wěn)定性設(shè)計、強度設(shè)計、失穩(wěn)特性應(yīng)對設(shè)計等進行總結(jié)，望能為廣大同行提供幫助和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：概念；穩(wěn)定性；強度

中圖分類號：TU391 文獻標識碼： A 文章編號：1671-3362（2013）09-0005-01

引言

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計是十分重要的設(shè)計環(huán)節(jié)，隨著城市建設(shè)的需要，鋼結(jié)構(gòu)建筑的造型越來越多樣化，這使對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的重視程度不斷提高，如果在設(shè)計中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定出現(xiàn)問題，就容易產(chǎn)生工程安全隱患，所以，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中必須嚴把這一關(guān)。

很多鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)案例都是由于設(shè)計者的經(jīng)驗不足，對結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定性能了解得不夠清楚，對如何保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定缺少明確的概念，從而形成結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些薄弱環(huán)節(jié)。所以明確鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計概念并提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就成為了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制方向。

1 穩(wěn)定性的基本概念

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)橫截面受到外部荷載時對最大應(yīng)力的抵抗能力，這表明穩(wěn)定性屬于應(yīng)力問題。而強度則是針對構(gòu)件的強度和屈服性。這是材料的變形問題，所以說強度和屈服性之間存在本質(zhì)區(qū)別。

2 常見的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)分類

常見的穩(wěn)定性問題有支點失穩(wěn)、極值點失穩(wěn)、跨越式失穩(wěn)。下面針對這3種失穩(wěn)問題進行逐一分析：支點失穩(wěn)是指構(gòu)件直桿的軸心受到屈服，以及在截面中受到壓力后所產(chǎn)生的無平衡分岔點；極值點失穩(wěn)是指結(jié)構(gòu)受到偏心壓力的時候，塑性在達到極限時所產(chǎn)生的變形形態(tài)；跨越式失穩(wěn)并無平衡分岔點和極值點，它通常在失穩(wěn)后產(chǎn)生不均勻的平衡狀態(tài)，而這種狀態(tài)又會隨機出現(xiàn)跳躍形式。

分析鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)性質(zhì)是保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的重要條件，但是在實際的施工中，構(gòu)件會發(fā)生一定的彎曲和偏心作用，所以我們必須掌握構(gòu)件材料的性能，以減少鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計構(gòu)件缺陷的產(chǎn)生。

3 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中涉及的穩(wěn)定問題

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中要根據(jù)穩(wěn)定問題和實際設(shè)計特點進行原則性分析，以保證在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，首先在設(shè)計中要將結(jié)構(gòu)的整體布局和鋼構(gòu)件之間的穩(wěn)定性進行分析。結(jié)構(gòu)的整個體系中由于需要多個單體結(jié)構(gòu)進行拼接，要在平面體系設(shè)計中建立一個整體性。例如鋼結(jié)構(gòu)的整體平面中桁架和框架梁是用到最多的構(gòu)件，要想保證這些構(gòu)件的結(jié)構(gòu)合理性就必須采用整體布置的方法，以滿足設(shè)計中需要的支撐結(jié)構(gòu)。也就是說結(jié)構(gòu)構(gòu)件的平面穩(wěn)定性要和結(jié)構(gòu)布置設(shè)計相同，同時要將桿件的穩(wěn)定性和橫隔之間的設(shè)置放在重點設(shè)計環(huán)節(jié)上，對異形的鋼結(jié)構(gòu)要采取專家驗證和模擬計算的形式進行設(shè)計。

目前，結(jié)構(gòu)設(shè)計多采用單層和多層框架結(jié)構(gòu)，所以在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計前要利用框架穩(wěn)定分析來代替框架柱的穩(wěn)定計算。計算框架柱穩(wěn)定時所有柱子的計算長度系數(shù)要由框架整體穩(wěn)定分析得出。所以，穩(wěn)定計算要等效于框架穩(wěn)定計算。但是根據(jù)不同的設(shè)計需要，設(shè)計框架就會出現(xiàn)多樣性，所以在設(shè)計中會簡化設(shè)計，并且按照相關(guān)的規(guī)范進行設(shè)計。設(shè)計人要將結(jié)構(gòu)設(shè)計和實際條件相互結(jié)合，才可以正確的使用。但是框架設(shè)計圖和實際工程不一致就會導(dǎo)致以下兩種情況：當(dāng)搖擺柱的框架和橫梁受到很大的壓力框架。如果按照不同規(guī)范進行系數(shù)計算就會產(chǎn)生了不安全的因素，所以計算方法在計算前必須將設(shè)計前提進行假設(shè)，并且在計算過程中使其保持一致。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計中細部設(shè)計和構(gòu)件穩(wěn)定設(shè)計是一個有機整體

在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，要注意結(jié)構(gòu)細部設(shè)計和構(gòu)造整體設(shè)計相互結(jié)合，首先在設(shè)計中要注意傳遞和不傳遞彎矩之間的節(jié)點連接，要分清材料間的剛度和柔度。尤其在桁架節(jié)點設(shè)計的過程中，要減少偏心桿件的應(yīng)用。當(dāng)涉及到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)點和材料強度進行考慮，不得一概而論。例如在設(shè)計簡支梁的過程中，要針對梁體的抗彎強度進行分析，要合理的阻止梁體支座的大幅位移，同時要保證在設(shè)計范圍內(nèi)進行轉(zhuǎn)動。梁體支座還要可以阻止梁縱軸扭轉(zhuǎn)，允許梁體在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動和梁端面自由翹動，以保證梁體能夠符合穩(wěn)定允許所需的邊界條件。

5 鋼結(jié)構(gòu)加固的常用方法

常用的鋼結(jié)構(gòu)加固方法有改變結(jié)構(gòu)圖形、降低荷載、加大構(gòu)件尺寸和連接強度阻止裂紋擴展等方法。下面針對改變結(jié)構(gòu)圖形和提高結(jié)構(gòu)連接加固方法進行分析。

5.1 改變結(jié)構(gòu)計算圖形的加固方法

采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點性質(zhì)和邊界條件，增設(shè)附加桿件和支撐、施加預(yù)應(yīng)力、考慮空間協(xié)同工作等措施對結(jié)構(gòu)進行加固的方法，增加支撐形成空間結(jié)構(gòu)并按空間結(jié)構(gòu)驗算，加設(shè)支撐增加結(jié)構(gòu)剛度或調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率等以提高結(jié)構(gòu)承載力和改善結(jié)構(gòu)動力特性，增設(shè)支撐或輔助桿件使結(jié)構(gòu)的長細比減少以提高其穩(wěn)定性，在排架結(jié)構(gòu)中重點加強某一列柱的剛度，使之承受大部分水平力，以減輕其他柱列的負荷，在塔架等結(jié)構(gòu)中設(shè)置拉桿或適度張緊的拉索以加強結(jié)構(gòu)的剛度。

5.2 連接的加固與加固件的連接

鋼結(jié)構(gòu)連接方法即焊縫、鉚釘、普通螺栓和高強度螺栓連接方法的選擇，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)需要加固的原因、目的、受力狀況、構(gòu)造及施工條件，并考慮結(jié)構(gòu)原有的連接方法確定。鋼結(jié)構(gòu)加固一般宜采用焊縫連接、摩擦型高強度螺栓連接，有依據(jù)時亦可采用焊縫和摩擦型高強度螺栓的混合連接。當(dāng)采用焊縫連接時，應(yīng)采用經(jīng)評定認可的焊接工藝及連接材料。除此之外，對加固件連接點的幾何尺寸也要認真檢查，要防止螺栓出現(xiàn)脫絲和壞扣的現(xiàn)象。

6 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的穩(wěn)定性和強度有著本質(zhì)上的區(qū)別，所以在設(shè)計過程中必須將穩(wěn)定性的性能進行明確，要將結(jié)構(gòu)失穩(wěn)受到的影響降到最低，本文在設(shè)計過程中對設(shè)計概念進行說明，望引起大家重視，并在以后的工作中將鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計進行發(fā)展和完善。

參考文獻

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