鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)研究

尹向輝

摘 要：無(wú)論是建筑工程，還是橋梁工程都離不開(kāi)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)工程的質(zhì)量是至關(guān)重要的。在現(xiàn)代工程史上有很多重大事故都是鋼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在外界條件發(fā)生巨大變化時(shí)，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，建筑物倒塌的情況，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，為此加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性，對(duì)于工程質(zhì)量的控制和預(yù)防工程事故發(fā)生是很有必要的。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定；設(shè)計(jì)研究

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的新時(shí)期，特別是城市建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，給建筑業(yè)發(fā)展提供了良好的機(jī)會(huì)。鋼結(jié)構(gòu)具有施工速度塊、結(jié)構(gòu)性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用到了建筑工程中。但是，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果存在缺陷就會(huì)對(duì)建筑整體的結(jié)構(gòu)造成影響，甚至引發(fā)嚴(yán)重的質(zhì)量及安全事故。因此，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一定要對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行認(rèn)真研究與計(jì)算，掌握設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提高鋼結(jié)構(gòu)的性能。

一、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的基本概念

（一）強(qiáng)度與穩(wěn)定的區(qū)別。強(qiáng)度問(wèn)題是指結(jié)構(gòu)或者單個(gè)構(gòu)件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起的最大應(yīng)力（或內(nèi)力）是否超過(guò)建筑材料的極限強(qiáng)度，因此，是一個(gè)應(yīng)力問(wèn)題。極限強(qiáng)度的取值取決于材料的特性，對(duì)混凝土等脆性材料，可取它的最大強(qiáng)度，對(duì)鋼材則常取它的屈服點(diǎn)。穩(wěn)定問(wèn)題則與強(qiáng)度問(wèn)題不同，它主要是找出外荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)部抵抗力間的不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，即變形開(kāi)始急劇增長(zhǎng)的狀態(tài)，從而設(shè)法避免進(jìn)入該狀態(tài)，因此，它是一個(gè)變形問(wèn)題。如軸壓柱，由于失穩(wěn)，側(cè)向撓度使柱中增加數(shù)量很大的彎矩，因而柱子的破壞荷載可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它的軸壓強(qiáng)度。顯然，軸壓強(qiáng)度不是柱子破壞的主要原因。

（二）鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類。具有平衡分岔的穩(wěn)定問(wèn)題，完善直桿軸心受壓時(shí)的屈曲和完善平板中面受壓時(shí)的屈曲都屬于這一類。無(wú)平衡分岔的穩(wěn)定問(wèn)題，由建筑鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到一定程度時(shí)喪失穩(wěn)定的能力，屬于這一類。

躍越失穩(wěn)問(wèn)題，這不同于以上兩種類型，它既無(wú)平衡分岔點(diǎn)，又無(wú)極值點(diǎn)，它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另一個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。區(qū)分結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型的性質(zhì)十分重要，這樣才有可能正確估量結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。設(shè)計(jì)為軸心受壓的構(gòu)件，實(shí)際上總不免有一點(diǎn)初彎曲，荷載的作用點(diǎn)也難免有偏心。因此，我們要真正掌握這種構(gòu)件的性能，就必須了解缺陷對(duì)它的影響，其他構(gòu)件也都有個(gè)缺陷影響問(wèn)題

二、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

（一）結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來(lái)設(shè)計(jì)的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來(lái)解決，亦即設(shè)計(jì)必要的支撐構(gòu)件。平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。由平面桁架組成的塔架，基于同樣原因，需要注意桿件的穩(wěn)定和橫隔設(shè)置之間的關(guān)系。

（二）結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡(jiǎn)圖相一致。目前，在設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。在采用這種方法時(shí)，計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，自應(yīng)通過(guò)框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算。然而，實(shí)際框架多種多樣，而設(shè)計(jì)中為了簡(jiǎn)化計(jì)算工作，需要設(shè)定一些典型條件。GBJl7-88規(guī)范對(duì)單層或多層框架給出的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)采用了五條基本假定。其中包括：“框架中所有柱子是同時(shí)喪失穩(wěn)定的，即各柱同時(shí)達(dá)到其臨界荷載?！卑凑者@條假定，框架各柱的穩(wěn)定參數(shù)桿件穩(wěn)定計(jì)算的常用方法，往往是依據(jù)一定的簡(jiǎn)化假設(shè)或者典型情況得出的，設(shè)計(jì)者必須確知所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)符合這些假設(shè)時(shí)才能正確應(yīng)用。

（三）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相符。結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大家都注意的問(wèn)題。對(duì)要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對(duì)桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少桿件偏心，這些都是設(shè)計(jì)者處理構(gòu)造細(xì)部時(shí)經(jīng)?？紤]到的。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時(shí)，構(gòu)造上時(shí)常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。例如，對(duì)簡(jiǎn)支梁就抗彎強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，對(duì)不動(dòng)鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時(shí)允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。然而在處理梁整體穩(wěn)定時(shí)上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時(shí)允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。

三、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)計(jì)算

在彈性穩(wěn)定計(jì)算中，除了需要考慮結(jié)構(gòu)的整體性外，還有一些其他特點(diǎn)需要引起重視。首先要做的就是二階分析，這種分析對(duì)柔性構(gòu)件尤為重要，這是因?yàn)槿嵝詷?gòu)件的大變形量對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生了不能忽視的影響，其次，普遍用于應(yīng)力問(wèn)題的迭加原。在彈性穩(wěn)定計(jì)算中不能應(yīng)用。這是因?yàn)榈釉淼膽?yīng)用應(yīng)以滿足以下條件為前提：材料服從虎克定律變成正比，結(jié)構(gòu)的變形很小。而彈性穩(wěn)定計(jì)算一般均不能滿足第結(jié)構(gòu)的變形很小這一條件，非彈性穩(wěn)定計(jì)算則兩個(gè)前提都不符合。了解鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些基本概念，有助于我們?cè)谠O(shè)計(jì)中更好地處理穩(wěn)定方面的問(wèn)題，隨著新型鋼結(jié)構(gòu)體系的不斷發(fā)展，我們對(duì)穩(wěn)定問(wèn)題的研究要求也不斷地提高，之所以在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問(wèn)題，另一個(gè)重要原因就是我們對(duì)新型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定知之甚少，這是目前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究中存在的問(wèn)題。

四、結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題區(qū)別于強(qiáng)度問(wèn)題。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該明確知道結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能，以免在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失。只有深入了解這些問(wèn)題，才會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論不斷地完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 陶怡.淺談建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性原則和設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].經(jīng)營(yíng)管理者，2016（02）.

[2] 秦智平.建筑鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)分析[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2016（01）.

[3] 王恒強(qiáng).淺析鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的問(wèn)題[J].江西建材， 2016（01）.

[4] 趙丹洋.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工中的問(wèn)題分析[J].門(mén)窗，2014 （01）.

[5] 李珊珊.工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及改進(jìn)措施[J].城市建筑，2014（06）.