紀(jì)洪波

【摘 要】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，這不僅會使建筑工程存在巨大的安全隱患，還會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，所以，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計在建筑工程中是非常重要的。

【關(guān)鍵詞】建筑工程；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計；穩(wěn)定性；設(shè)計要點(diǎn)

一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

根據(jù)穩(wěn)定問題在實(shí)際設(shè)計中的特點(diǎn)提出了以下三項(xiàng)原則并具體闡明了這些原則，以更好地保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中構(gòu)件不會喪失穩(wěn)定。

（1）結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個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)是按照平面體系來設(shè)計的，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)整體布置來解決，亦即設(shè)計必要的支撐構(gòu)件。

（2）結(jié)構(gòu)計算簡圖和實(shí)用計算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算十分重要。目前任設(shè)計單層和多層框架結(jié)構(gòu)時，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩(wěn)定時用到的柱計算長度系數(shù)，自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算。然而，實(shí)際框架多種多樣，而設(shè)計中為了簡化計算工作，需要設(shè)定一些典型條件。

（3）設(shè)計結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計算必須相互配合，使二者有一致性。結(jié)構(gòu)計算和構(gòu)造設(shè)計相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計中大家都注意的問題。對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，對桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少桿件偏心這些都是設(shè)計者處理構(gòu)造細(xì)部時經(jīng)?？紤]到的。

二、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計的特點(diǎn)

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的要求來看，對于其穩(wěn)定性設(shè)計的特點(diǎn)可以分為整體剛度和失穩(wěn)效應(yīng)、穩(wěn)定性分析的整體性、穩(wěn)定性計算的其他特點(diǎn)等。剛度和失穩(wěn)效應(yīng)上根據(jù)現(xiàn)在實(shí)行的規(guī)范，軸心壓桿的穩(wěn)定計算法是通過臨界壓力求解與折減系數(shù)法來實(shí)現(xiàn)的：由于桿件能夠保持穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)整體的性能和承載力綜合決定的。桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到結(jié)構(gòu)的整體，因此鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析和計算必須從整體進(jìn)行考量。

三、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計中存在的問題

鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題是指在受到外界擾動的情況下能否恢復(fù)到初始狀態(tài)的性能，在鋼結(jié)構(gòu)的使用中，其穩(wěn)定性會受到其本身或者外界各方面因素的影響，具有一定的隨機(jī)性，因此，對于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計不僅僅要考慮到自身影響因素，還要顧及到外界影響造成的不良后果，才能從根本上阻止各種隱患的發(fā)生。

（1）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到其構(gòu)件承載強(qiáng)度的影響，其中也包括構(gòu)件材料的應(yīng)力、截面特征等，都對鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。整體結(jié)構(gòu)的支撐力與抗扭力性能也十分重要，包括在設(shè)計建模設(shè)計為了對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析所提的假設(shè)、數(shù)學(xué)模型、邊界條件以及目前技術(shù)水平難以在計算中反映的種種因素，所導(dǎo)致的理論值與實(shí)際承載力出現(xiàn)的差異。都是影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素，這些在穩(wěn)定性設(shè)計時都是必須考慮的。

（2）目前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計中存在的問題是大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中如何反映軸力和彎矩的耦合效應(yīng)。一般情況下，大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中取一個穩(wěn)定安全系數(shù)，不一定能真實(shí)的反應(yīng)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，因此，預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定設(shè)計理論還很不完善的狀況下，整體與局部的穩(wěn)定性之間的相互作用關(guān)系也是值得研究的問題。

（3）對于鋼結(jié)構(gòu)來說其穩(wěn)定理論也不是十分完善，而通常人們在設(shè)計中時卻是從完善的角度思考，很多隨即因素并沒有考慮進(jìn)去，就去對其穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響。在實(shí)際工程施工中，因?yàn)榇蟛糠志窒抻诮Y(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，就會引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著差異，所以，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計應(yīng)著眼于考慮隨機(jī)參數(shù)的結(jié)構(gòu)極值失穩(wěn)、干擾型屈曲、跳躍型失穩(wěn)問題的研究。

四、建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性與設(shè)計要點(diǎn)

（一）建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的特點(diǎn)

建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：第一，鋼結(jié)構(gòu)的多樣性。建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的問題直接影響著鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，特別是承荷載力大的鋼結(jié)構(gòu)部位，在進(jìn)行這類鋼結(jié)構(gòu)部位設(shè)計時必須進(jìn)行多方面的考慮，并對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行認(rèn)真分析、探究。第二，鋼結(jié)構(gòu)的整體性。鋼結(jié)構(gòu)建筑是由多種構(gòu)件共同組成的一個整體，任何一個構(gòu)件所具有的作用都是不容忽視的，若是當(dāng)任意一個構(gòu)件出現(xiàn)問題，例如失穩(wěn)、變形等情況，那么必定會對其他構(gòu)件造成影響，最終導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性出現(xiàn)問題。

（二）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的計算方法

（1）整體剛度計算。在現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)計算規(guī)范中，通用的計算方法是軸心壓桿穩(wěn)定計算方法，其主要采用是折減系數(shù)方法和臨界壓力求解法。（2）整體穩(wěn)定性分析。鋼結(jié)構(gòu)建筑是由多種構(gòu)件共同組成的一個整體，其整體穩(wěn)定性受各種構(gòu)件的制約較大，各構(gòu)件之間是否具有良好的穩(wěn)定性，是確保鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的前提基礎(chǔ)。所以，應(yīng)對其整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。（3）其他特點(diǎn)的穩(wěn)定計算。鋼結(jié)構(gòu)的各種組成構(gòu)件又能分為兩大類，為彈性構(gòu)件和柔性構(gòu)件，因而，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時應(yīng)重視這一特點(diǎn)。由于柔性構(gòu)件容易發(fā)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部也發(fā)生變化，最終對鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，所以，必須重視柔性構(gòu)件的分析。

（三）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析方法

（1）靜力法。靜力法的分析原理是結(jié)合已經(jīng)出現(xiàn)了微小變形后的一些結(jié)構(gòu)受力的條件，并根據(jù)這些條件來建立相對平衡的微分方程。通過建立的微分方程仔細(xì)的計算出構(gòu)件受力的臨界相關(guān)荷載。在實(shí)際中應(yīng)用靜力法構(gòu)件平衡微分方程時，應(yīng)遵循相關(guān)設(shè)定，具體表現(xiàn)為：直桿構(gòu)件應(yīng)該為截面，其壓力應(yīng)始終遵循之前的軸線進(jìn)行作用。（2）動力法。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系處于平衡狀態(tài)下時，若是受到一定的干擾，那么整個結(jié)構(gòu)體系就會產(chǎn)生振動，這時應(yīng)采用動力法對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性與其所承受的荷載有著密切關(guān)聯(lián)，在鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形以及鋼結(jié)構(gòu)振動加速時，這種聯(lián)系更加緊密。若是鋼結(jié)構(gòu)所承受的荷載值低于鋼結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性的極限荷載值時，會出現(xiàn)加速度和之前的鋼結(jié)構(gòu)變形的具體方向相反的狀況。（3）能量法。若是在實(shí)際應(yīng)用中鋼結(jié)構(gòu)載著保守力并且已經(jīng)具備結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)受力條件，那么就能以此條件構(gòu)建總體勢能。

五、穩(wěn)定性設(shè)計需要注意的問題

（1）結(jié)構(gòu)計算簡圖和實(shí)用計算方法所參考的簡圖應(yīng)該保持一致性。當(dāng)遇到其計算的對象與實(shí)用的方法簡圖有相應(yīng)出入時，應(yīng)該結(jié)合其所對應(yīng)的簡圖差異結(jié)果來進(jìn)行把握，從而防止工程設(shè)計中存在隱患。

（2）確保鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算與結(jié)構(gòu)的布置方案保持符合。對于這個問題主要能夠確定桁架以及塔架等的桿件，要重視其在鋼結(jié)構(gòu)出平面的穩(wěn)定性。目前大多數(shù)結(jié)構(gòu)是按照平面體系來設(shè)計的，如桁架和框架都是如此。

（3）鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算和構(gòu)造設(shè)計相符合。構(gòu)造和計算相符合一直是設(shè)計者所關(guān)注的問題。然而一旦牽涉到鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能時，都需要考慮強(qiáng)度或其他不同的特殊考慮。應(yīng)該分別給予它們較強(qiáng)的剛度以及柔度，最大限度的降低桁架節(jié)點(diǎn)的桿件偏心度，以上均是設(shè)計者在設(shè)計的過程中需要處理的相關(guān)問題。

結(jié)語

清楚地理解并掌握鋼構(gòu)件整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的概念，對于工程設(shè)計人員合理有效地解決鋼結(jié)構(gòu)工程中所出現(xiàn)的實(shí)際問題，對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計過程中穩(wěn)定性計算公式的理解與正確運(yùn)用具有重要的概念基礎(chǔ)。只有深入了解這些問題，才會使得鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計不斷改進(jìn)與完善。

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