鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中穩(wěn)定性研究與探析

趙巍　趙超

摘 要：在現(xiàn)代許多鋼結(jié)構(gòu)的建筑當中，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差的情況非常常見。這不僅給施工的過程帶來巨大的風(fēng)險及安全隱患，而且還可能會出現(xiàn)重大的經(jīng)濟損失以及人員損傷情況。目前建筑領(lǐng)域已經(jīng)對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計給予高度重視，這也是該行業(yè)的發(fā)展趨勢，完善鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的穩(wěn)定性，可以在節(jié)約資源的同時保障工程的施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計穩(wěn)定性

1 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相關(guān)概念

1.1 穩(wěn)定性的概念與分類

所謂鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一般來說，指的是在建筑中鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過外界擾動后恢復(fù)到最初平衡狀態(tài)的性能。同樣的道理，與之相對的屬性即失穩(wěn)，也就是建筑結(jié)構(gòu)因外界擾動而自最初的平衡位置移動到其他位置。通常而言，我們把失穩(wěn)分為三種類型。第一種類型指的是直桿、圓環(huán)和窄梁的軸心受到壓力出現(xiàn)的分支點失穩(wěn)現(xiàn)象，主要是由于平衡分岔而起的問題，所以學(xué)術(shù)上又叫分支點失穩(wěn)；第二種類型則并非由平衡分岔引起的失穩(wěn)問題，而是極值點失穩(wěn)，在實際建筑中，往往把此類失穩(wěn)轉(zhuǎn)化為分支點失穩(wěn)進行處理；第三種類型是躍越失穩(wěn)，這種失穩(wěn)類型不同于上述兩種類型，躍越失穩(wěn)是指在一種平衡狀態(tài)受到破壞后直接進入到另外一種平衡狀態(tài)。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響因素

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性包括兩方面內(nèi)容，一方面是指鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性，另一方面是指鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身的穩(wěn)定性。影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素比較多，其中較為主要的是結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件。在鋼結(jié)構(gòu)體系中，其支撐體系對結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性影響最大，比如柱間支撐，屋架的上弦水平支撐、下弦水平支撐以及垂直支撐等。對于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身來說，構(gòu)件的長度、截面特征、材料強度等都會影響其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計的特點

2.1 整體剛度與失穩(wěn)

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力直接影響著鋼結(jié)構(gòu)的剛度，鋼結(jié)構(gòu)的剛度與鋼結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)成也有著密切的聯(lián)系。所以，鋼結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量是鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定決定的。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

由于鋼結(jié)構(gòu)的組成部分影響著整個結(jié)構(gòu)整體，在實際生活中具體處理穩(wěn)定問題的過程中，要以整體為基礎(chǔ)。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相關(guān)性

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的相關(guān)性是指結(jié)構(gòu)在整體布置的過程中，要全面考慮整體布置及其中組成部分的局部穩(wěn)定性。

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的原則

3.1 鋼結(jié)構(gòu)整體與局部的穩(wěn)定性

在對鋼結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，一般是以平面體系為出發(fā)點，在設(shè)計的過程中，要注意構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)性，還要對框架設(shè)計進行優(yōu)化。在平面結(jié)構(gòu)中，為了防止平面失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)計人員必須從結(jié)構(gòu)整體布局的角度出發(fā)，有針對性的對支撐構(gòu)件進行優(yōu)化以及改進。在設(shè)計時，要以保證平面結(jié)構(gòu)布置以及穩(wěn)定性計算滿足要求原則。

3.2 結(jié)構(gòu)計算和構(gòu)造設(shè)計一致

對于不同的節(jié)點連接應(yīng)設(shè)置不同的剛度和柔度，桁架節(jié)點應(yīng)盡量減少桿件偏心。但是涉及穩(wěn)定性能時，構(gòu)造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。處理梁整體穩(wěn)定時要求不動鉸支座的阻止位移和梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動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。掌握鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相關(guān)的基本概念可以加強了解穩(wěn)定設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，明確設(shè)計中應(yīng)該注意的問題。

4 建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

4.1 荷載設(shè)計

在設(shè)計過程中，要將對稱結(jié)構(gòu)作為主要結(jié)構(gòu)，盡量保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，為剛度連貫性并且保持穩(wěn)定的變化提供保障。將鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計為L、T兩種形態(tài)能夠?qū)摻Y(jié)構(gòu)作用發(fā)揮出來；將鋼結(jié)構(gòu)布置在結(jié)構(gòu)外圍，能夠在很大程度上提升整體結(jié)構(gòu)抵抗扭曲與變形的能力。為了保證鋼結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，施工人員應(yīng)該嚴格遵照設(shè)計規(guī)范開展工作；在扭轉(zhuǎn)上，設(shè)計師要重視影響水平承載力的多種問題。

4.2 穩(wěn)定性設(shè)計

為了保證建筑工程具有良好的穩(wěn)定性，需要進一步加強鋼材質(zhì)量的檢查與測試。在實際工作中，將設(shè)計方案作為參考，分析鋼結(jié)構(gòu)整體的框架，對臨界值進行確定。在對彈性穩(wěn)定進行計算的過程中，需要重視結(jié)構(gòu)的整體性與其它特點。例如二階分析，該種分析對于柔性構(gòu)件而言，具有十分重要的作用，由于柔性構(gòu)件容易受力產(chǎn)生形變，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響比較大，再如迭加原理，只能在應(yīng)力問題上應(yīng)用，不適用于彈性計算。

5 建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法主要是針對在外部荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形的情況下進行的，這種變形應(yīng)當和所研究的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性失衡時導(dǎo)致的變形所對應(yīng)。常用的對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行分析的方法主要有以下幾種。

5.1 平衡法

平衡法也稱中性平衡法或者靜力平衡法，這是一種最基本的計算鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定極限荷載的方法。對于有平衡分岔點的彈性穩(wěn)定問題，在分岔點的附近會存在兩個相對比較臨近的平衡狀態(tài)，其一是原結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)，其二則是已經(jīng)出現(xiàn)微小變形的結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)。而平衡法就是依據(jù)這一已經(jīng)產(chǎn)生微小變形后結(jié)構(gòu)的受力條件而建立的平衡方程來求解的，如果通過計算得出的解不止一個，則當中的最小值才是該結(jié)構(gòu)的分岔屈曲荷載。

5.2 動力法

在平衡狀態(tài)下的鋼結(jié)構(gòu)體系，如果受到來自外界的微小干擾時，很容易會發(fā)生振動現(xiàn)象，此時就需要采用動力法來分析鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。具體而言，當鋼結(jié)構(gòu)的荷載小于穩(wěn)定的極限值時，鋼結(jié)構(gòu)的變形方向和加速度方向正好相反，因此，當外界干擾撤銷之后，運動會逐漸靜止，此時鋼結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的；而當鋼結(jié)構(gòu)的荷載大于穩(wěn)定的極限值時，鋼結(jié)構(gòu)的變形方向和加速度方向正好相同，因此，當外界干擾撤銷之后，運動依然會持續(xù)，此時鋼結(jié)構(gòu)的平衡狀態(tài)則是不穩(wěn)定的；只有鋼結(jié)構(gòu)在臨界狀態(tài)的荷載才是其屈曲荷載，其可以依據(jù)振動頻率為零的條件解得，實際上，動力法是一種結(jié)構(gòu)動力的穩(wěn)定問題。

6 強化鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中穩(wěn)定性的主要策略

6.1 盡可能縮小不確定成分的影響

在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計過程中，不確定成分所帶來的影響是無法規(guī)避的，但是可以靈活利用一些技巧來縮小不確定成分的影響力。根據(jù)邊界條件以及荷載的具體分布情況，通過附加桿件的科學(xué)設(shè)置以及支撐點對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，有效提升鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性。

6.2 科學(xué)使用梁—柱單元理論

梁—柱理論在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計中，是最基本也是最為重要的。這就表示，必須對鋼結(jié)構(gòu)工程的場地、施工材料以及設(shè)計方案等諸多有關(guān)事宜進行深入考察，結(jié)合梁—柱單元理論，對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計當中的細部構(gòu)造、構(gòu)建之間的穩(wěn)定性、整體構(gòu)造以及組成部分之間的穩(wěn)定性等多重因素進行深入分析，實現(xiàn)提升鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計穩(wěn)定性的目標。

6.3 構(gòu)建完善的預(yù)張拉結(jié)構(gòu)理論體系

對于整個鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計過程而言，預(yù)張拉結(jié)構(gòu)理論體系是不容忽視的關(guān)鍵所在。在構(gòu)建了科學(xué)完善而且合理有效的預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系之后，在此理論體系的協(xié)助下，對預(yù)張拉結(jié)構(gòu)進行深入研究，所得出來的結(jié)果必定是準確科學(xué)的，這樣也能夠從根本上有效提升鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

7 結(jié)束語

總而言之，建筑物鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計關(guān)乎廣大人民群眾的生命及財產(chǎn)安全，相關(guān)部門要重視，通過全新的方式及理念，保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及安全性，從而促進我國建筑事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻：

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