淺析鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計

摘 要：本文從鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的失穩(wěn)的類型、穩(wěn)定計算的影響因素、穩(wěn)定與強度的區(qū)別、穩(wěn)定設(shè)計的原則和穩(wěn)定設(shè)計的特點等方面進行闡述，提出了鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性研究中存在的問題，為設(shè)計人員更好地完成鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計提供了科學(xué)合理的建議。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性設(shè)計；失穩(wěn)

1 引言

與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有施工工期短、工程成本低、抗震強度高、節(jié)省空間等優(yōu)點。隨著建筑施工技術(shù)的發(fā)展，高強度鋼材大量的投入應(yīng)用，使鋼結(jié)構(gòu)體系的廣泛應(yīng)用和發(fā)展成為現(xiàn)實。與此同時，伴隨著鋼結(jié)構(gòu)日益發(fā)展的同時其設(shè)計存在的問題也日益增多，穩(wěn)定性是一個突出問題。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，穩(wěn)定性是目前大量結(jié)構(gòu)設(shè)計時有待解決的關(guān)鍵問題，一旦發(fā)生類似于這方面的問題，經(jīng)濟和人員都會受到很大的影響。所以，依據(jù)實際情況對鋼結(jié)構(gòu)的“穩(wěn)定性”設(shè)計和研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 相關(guān)基本概念

2.1 失穩(wěn)類型

（1）“平衡分岔失穩(wěn)”： 一般情況下，在相同的荷載點上，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件會出現(xiàn)平衡分岔的現(xiàn)象。依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在受載屈曲后的“F—S”變化曲線的差異，這一類型的失穩(wěn)又可以再分成不穩(wěn)定和穩(wěn)定分岔失穩(wěn)兩種類型。

（2）“極值點失穩(wěn)”： 具有極值點失穩(wěn)的構(gòu)件其“F—S”曲線上只能體現(xiàn)出極值點，不會出現(xiàn)所謂的分岔點，其彎曲變形性質(zhì)也沒有變化。

（3）“躍越失穩(wěn)”：這一類型的失穩(wěn)不存在平衡分岔點，也不存在極值點。都是在當(dāng)其喪失穩(wěn)定平衡之后又變化為另一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)，這點和不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)有相似之處。正因如此，要正確計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力，必須得能準(zhǔn)確區(qū)分結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)類型。

2.2 影響因素

在鋼結(jié)構(gòu)實際設(shè)計中大多情況都是將其視為完整的結(jié)構(gòu)體系。其中，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算的主要影響因素有以下幾個方面：

（1）統(tǒng)計的不確定性：在相關(guān)物理量和幾何量取值時，具有一定的經(jīng)驗性。

（2）模型的不確定性：為了便于結(jié)構(gòu)分析，簡化分析的難度，在分析時提出的各種假設(shè)和模型，以目前的技術(shù)水平難以在計算中體現(xiàn)的各種因素，致使實際值和理論值的差異，都屬于模型的不確定性的范疇。

（3）幾何、物理不確定性：比如桿件尺寸、力學(xué)參數(shù)、初始變形、截面積等。

2.3 強度與穩(wěn)定的區(qū)別

在進行鋼結(jié)構(gòu)軸心受力構(gòu)件的強度和穩(wěn)定計算時，僅與其凈截面面積有關(guān)，體現(xiàn)了構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)由受力所引起的最大應(yīng)力，當(dāng)其處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)下是否超過了材料的極限強度；穩(wěn)定性計算的研究對象是整個結(jié)構(gòu)體系，可以用歐拉公式進行計算，在彈性范圍內(nèi)構(gòu)件的臨界力的具體數(shù)值，所以不是個別截面的問題。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的原則

在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計時，應(yīng)遵循的原則如下：

（1）“結(jié)構(gòu)的計算簡圖、實用的計算方法所依據(jù)的簡圖要對應(yīng)”：進行設(shè)計時的設(shè)計依據(jù)要相互協(xié)調(diào)一致，不能出現(xiàn)有出入和嚴(yán)重矛盾的地方。

（2）“構(gòu)件與細部構(gòu)造必須相互協(xié)調(diào)，二者具有一致性”：鋼結(jié)構(gòu)中，節(jié)點的連接是非常關(guān)鍵的問題，應(yīng)分別賦予它足夠的柔度和剛度，在設(shè)計桁架節(jié)點時，應(yīng)盡量避免桿件偏心受力現(xiàn)象，作為設(shè)計人員，這些方面都必須考慮到。

（3）“整體的布置，必須要考慮到整體和局部的穩(wěn)定性要求”：要想讓平面結(jié)構(gòu)體系不出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，就必須從結(jié)構(gòu)整體布置來做研究，考慮設(shè)置必要的支撐構(gòu)件。

2.5 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的特點

（1）剛度與失穩(wěn)：在現(xiàn)行規(guī)范中，臨界壓力求解法和折減系數(shù)法是軸心壓桿的穩(wěn)定計算法。

（2）整體性分析：穩(wěn)定性分析必須從整體入手，全面考慮。桿件承受荷載時，其否能保持穩(wěn)定將直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在的問題

雖然目前鋼結(jié)構(gòu)的體系穩(wěn)定性研究取得了一定的進展，但是，也存在著一些不可忽視的問題，具體如下：

（1）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)：“研究中占主流的“梁-柱”單元理論，在實際情況下是否能夠真實反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)還有待進一步的驗證，目前，存在的主要問題是“采用什么方式來體現(xiàn)出彎矩與軸力的耦合效應(yīng)”?！?/p>

（2）大跨度結(jié)構(gòu)：“結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定的相互之間到底存在怎么樣的一個的關(guān)系，是一個值得花費大量精力去探討的問題，目前，在絕大多數(shù)的大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員為簡便計算，通常是取一個統(tǒng)一的穩(wěn)定安全系數(shù)，但實際上并不能真實的反映出局部和整體之間的關(guān)聯(lián)性?！?/p>

（3）預(yù)張拉體系：對于預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性，目前為止，還沒有合理的理論體系能分析。

（4）隨機因素的影響：“當(dāng)前，鋼結(jié)構(gòu)隨機因素的影響分析所面對的問題大多數(shù)僅僅局限于所確定的隨機荷載的輸入和結(jié)構(gòu)分析參數(shù)，在考慮隨機因素的影響時，因為結(jié)構(gòu)分析參數(shù)存在的不確定性，引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著差異是很普遍的現(xiàn)象?！?/p>

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是一個比較復(fù)雜的問題，特別是當(dāng)構(gòu)件存在殘余應(yīng)力、非線性因素和初始缺陷等影響因素時，使其研究難度更大。除此之外，在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中，目前還存在著許多尚未解決的問題。例如： 大跨度大空間的網(wǎng)殼、薄殼、橋梁和超高層建筑結(jié)構(gòu)的雙重非線性動力穩(wěn)定性等問題。只有更深一步的把這些問題難關(guān)克服，才能不斷地完善鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計理論。

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作者簡介：王曉燕（1985-），女，永城職業(yè)學(xué)院，研究方向：工程施工、工程經(jīng)濟。endprint