鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中穩(wěn)定性分析

蔣君全

摘 要：穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題，它的穩(wěn)定性會(huì)直接影響工程的質(zhì)量和安全。在現(xiàn)代工程史上，有許多因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)失穩(wěn)而引發(fā)的事故，進(jìn)而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以，為了控制工程的質(zhì)量和安全，預(yù)防工程事故的發(fā)生，加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性是非常必要的。簡要分析了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題，并提出相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；穩(wěn)定性；構(gòu)建性能；工程質(zhì)量

中圖分類號(hào)：TU391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）21-0085-02

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用越來越廣泛。在很多鋼結(jié)構(gòu)建筑中，普遍存在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的問題，這不僅會(huì)使建筑工程存在巨大的安全隱患，還會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，所以，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)在建筑工程中是非常重要的。而鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的問題是由多方面原因造成的，比如設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)不足、對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件性能的了解不充分和缺乏對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程中穩(wěn)定性的專業(yè)認(rèn)識(shí)等。

1 穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)原則

1.1 構(gòu)件與細(xì)部構(gòu)造穩(wěn)定性計(jì)算方法一致

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要使構(gòu)造設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)計(jì)算相匹配，以滿足構(gòu)件穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造的一致性。對(duì)傳遞彎矩和不傳遞彎矩的連接節(jié)點(diǎn)，應(yīng)該分別給予足夠的剛度和柔度；對(duì)桁架節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也應(yīng)盡量減少桿件偏心等，這些僅僅是設(shè)計(jì)構(gòu)件細(xì)部構(gòu)造。但是，當(dāng)涉及到穩(wěn)定性時(shí)，對(duì)細(xì)部構(gòu)造就會(huì)有其他要求，比如簡支梁就抗彎強(qiáng)度來說，對(duì)不動(dòng)鉸支座的要求只是阻止位移和允許其在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，然而在處理梁整體的穩(wěn)定性時(shí)，支座除了要滿足上述要求外，還需要阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，允許梁在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)和梁端截面自動(dòng)翹曲。

1.2 兼顧整體和組成部分穩(wěn)定性的要求

目前，大部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是以平面體系為出發(fā)點(diǎn)的，比如桁架設(shè)計(jì)和框架設(shè)計(jì)等。為了避免出現(xiàn)平面失穩(wěn)問題，需要從鋼結(jié)構(gòu)的整體布局出發(fā)，設(shè)計(jì)有針對(duì)性的支撐構(gòu)件，也就是說要使平面構(gòu)件的結(jié)構(gòu)布置與平面穩(wěn)定計(jì)算保持一致。比如，在平面桁架組成的塔架中，要注意橫隔設(shè)置和桿件之間的穩(wěn)定性。

1.3 計(jì)算方法與結(jié)構(gòu)簡圖一致

在設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，并不分析框架穩(wěn)定性，而要計(jì)算框架柱的穩(wěn)定性。采用這種方法計(jì)算框架柱穩(wěn)定性時(shí)用到的計(jì)算長度系數(shù)，應(yīng)該分析框架整體的穩(wěn)定性，這樣才能使最終框架穩(wěn)定計(jì)算等效于柱穩(wěn)定計(jì)算。此外，如果計(jì)算方法與結(jié)構(gòu)簡圖不一致，就需要調(diào)整所使用的計(jì)算方法，以保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的要求。

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)與重要性

2.1 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性

在分析鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性時(shí)，必須要從鋼結(jié)構(gòu)的整體出發(fā)，考慮桿件的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

2.2 整體剛度與失穩(wěn)問題

對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中整體剛度和失穩(wěn)問題來說，目前通用的規(guī)范計(jì)算方法是臨界壓力求解法和折減系數(shù)法，以此計(jì)算軸心壓桿的穩(wěn)定性。

2.3 彈性穩(wěn)定分析

彈性穩(wěn)定計(jì)算是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性中的重要內(nèi)容之一，除了要考慮鋼結(jié)構(gòu)的整體性外，還要考慮以下兩方面的因素：①要做二階分析。這種分析在柔性構(gòu)件上顯得尤為重要，因?yàn)槿嵝詷?gòu)件的變形量會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生重大影響。②要考慮應(yīng)力問題的疊加原理。不能將這種原理應(yīng)用在彈性穩(wěn)定計(jì)算中，是因?yàn)閺椥苑€(wěn)定計(jì)算不符合疊加原理的結(jié)構(gòu)變形。

3 設(shè)計(jì)中存在的問題

3.1 不確定性因素

在鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中，有許多不確定性因素會(huì)影響設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，比如物力、幾何不確定性因素，包括材料（彈性模量、屈服應(yīng)力等）、桿件尺寸、截面積、殘余應(yīng)力和初始變形等。在確定與穩(wěn)定性有關(guān)的幾何量和物理量時(shí)，大多會(huì)根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)分析問題，而不結(jié)合實(shí)際情況。另外，設(shè)計(jì)人員在分析鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，所提的假設(shè)、數(shù)學(xué)模型、邊界條件與目前的技術(shù)發(fā)展水平不相符，難以將其反映在計(jì)算中，導(dǎo)致理論值與實(shí)際承載力有差異等。目前，結(jié)構(gòu)隨機(jī)影響分析所處理的問題大多局限于確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、隨機(jī)荷載輸入的格局范圍內(nèi)，而在實(shí)際工程中，由于參數(shù)的不確定性，會(huì)引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的明顯差異。

3.2 梁—柱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，梁—柱單元理論已經(jīng)成為了主要的設(shè)計(jì)方法，但是，梁—柱理論不能完全反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，比如軸力和彎矩的耦合效應(yīng)等。梁—柱是整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的部分，所以，在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，要充分注意梁和柱的穩(wěn)定性以及兩者之間的力學(xué)效應(yīng)。

3.3 預(yù)張拉體系不完善

預(yù)張拉鋼結(jié)構(gòu)體系是鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中的另一個(gè)重要組成體系。以往預(yù)張拉體系的理論并不是很完善，沒有一個(gè)完整、合理的理論體系來分析預(yù)張拉結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定性，所以，難以保證工程的穩(wěn)定性，因此，要建立一個(gè)科學(xué)、完善的預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系理論。

3.4 整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定

在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，存在大跨度的鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性計(jì)算不到位的情況。雖然它的穩(wěn)定性計(jì)算借鑒了以往的經(jīng)驗(yàn)來確定整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性之間的安全系數(shù)，但是，并沒有結(jié)合具體的工程情況來計(jì)算一個(gè)較為科學(xué)的安全系數(shù)，所以，它不能真實(shí)反映整體穩(wěn)定性與局部穩(wěn)定性之間的關(guān)系，不能保證鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。

4 有效措施

針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中存在的問題，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)找出科學(xué)、合理的解決問題的方法，盡量減少影響穩(wěn)定性的因素，這樣才能夠降低由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性而引發(fā)事故的概率。

4.1 減小不確定性因素影響

不確定性因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)造成的影響是難以避免的，但是，可以利用一些方法來減小這種影響，提高鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的可靠性。比如，可以為鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析和設(shè)計(jì)，或者從設(shè)計(jì)的眾多實(shí)驗(yàn)中選擇一個(gè)較為合理的方案等。

4.2 合理地運(yùn)用梁—柱理論

梁—柱理論是當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的理論，也是最重要的理論。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要實(shí)際考察鋼結(jié)構(gòu)工程的場地、材料、設(shè)計(jì)方案等相關(guān)事項(xiàng)，合理地運(yùn)用梁—柱理論分析鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件之間的穩(wěn)定性、整體結(jié)構(gòu)和組成部分之間的穩(wěn)定性等，達(dá)到提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的目的。

4.3 完善預(yù)張拉結(jié)構(gòu)理論體系

預(yù)張拉結(jié)構(gòu)理論體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)是極為重要的。建立一套科學(xué)、完善、合理的預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系理論，根據(jù)這個(gè)理論體系分析預(yù)張拉結(jié)構(gòu)，最終得出準(zhǔn)確的結(jié)果，這樣能夠確保達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的要求。

4.4 重視局部與整體之間穩(wěn)定性的關(guān)系

避免采用根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性之間安全系數(shù)的方法，加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性之間關(guān)系的重視程度。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程的實(shí)際情況，考察現(xiàn)場、材料等相關(guān)因素，科學(xué)地計(jì)算出一個(gè)較為可靠的安全系數(shù)，減小誤差，提高鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性是影響鋼結(jié)構(gòu)工程安全和質(zhì)量的重要因素之一。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該明確結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能，避免鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，要掌握鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的原則。根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，避免在其使用過程中出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，引發(fā)重大的安全事故。

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〔編輯：白潔〕

Stability Analysis of Steel Structure Design

Jiang Junquan

Abstract： Stability is the design of steel structures is an important issue； it will directly affect the stability of the project's quality and safety. In the history of modern engineering， there are many because the steel instability caused the accident， and cause serious economic losses and casualties. Therefore， in order to control the quality and safety engineering， accident prevention of the project to strengthen the stability of the steel structure design is necessary. This paper analyzes the problems in design of steel structures， and makes recommendations.

Key words： design of steel structures； stability； build performance； engineering quality