程博

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院　廣東　廣州　510010）

解析影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的一些因素

程博

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院廣東廣州510010）

本文主要對(duì)于影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的因素進(jìn)行研究以及說(shuō)明，首先對(duì)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)軔相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹，包括其定義以及失穩(wěn)種類，接著對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及原則給予詳細(xì)的研究以及說(shuō)明，著重對(duì)影響鋼結(jié)構(gòu)問(wèn)題的因素進(jìn)行探討，并且還提出了加固鋼結(jié)構(gòu)的方法，最后對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，提出提升鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的發(fā)展方向。

鋼結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)；影響因素

1　引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的體系和規(guī)模相應(yīng)也得到了快速的發(fā)展。同時(shí)伴隨著逐年不斷增多的鋼結(jié)構(gòu)工程項(xiàng)目，業(yè)內(nèi)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)理論的建筑使用設(shè)計(jì)也日益體系化和科學(xué)化。與以往傳統(tǒng)的建筑材料相比，鋼結(jié)構(gòu)具有施工時(shí)間較短、重量較輕、強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，并且可以達(dá)到省碳節(jié)能減排的作用。由此，在建筑工程當(dāng)中，建筑鋼結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用。不過(guò)，雖然鋼結(jié)構(gòu)具有許多的優(yōu)點(diǎn)，然而對(duì)其穩(wěn)定性的控制卻也是鋼結(jié)構(gòu)在規(guī)劃設(shè)計(jì)中需要不斷解決的重要問(wèn)題。為此，本文將對(duì)一些影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的相關(guān)因素進(jìn)行了解與分析。

2　鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

2.1概念

結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是指，在有外界擾亂的狀況下，設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)構(gòu)是否依然保持最初的平衡狀態(tài)，以避免危險(xiǎn)的發(fā)生。相反，失穩(wěn)是指，在有外界擾亂的情況下，在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了一些失衡的現(xiàn)象，最初原始的狀態(tài)被改變。

2.2失穩(wěn)的分類

①分支點(diǎn)失穩(wěn)，即平衡分岔的穩(wěn)定性能情況，軸心受壓，圓環(huán)、直桿、窄梁因此都有可能出現(xiàn)分支點(diǎn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。②極值點(diǎn)失穩(wěn)，即無(wú)平衡分岔的穩(wěn)定情況，相對(duì)來(lái)說(shuō)此種現(xiàn)象較為普遍，經(jīng)常出現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，一般情況下，在實(shí)際具體操作中會(huì)把極值點(diǎn)失穩(wěn)轉(zhuǎn)換為分支點(diǎn)失穩(wěn)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)處理。③為跳躍失穩(wěn)，它與極限點(diǎn)失穩(wěn)、支點(diǎn)失穩(wěn)均不相同，因?yàn)樗姆€(wěn)定狀態(tài)被破壞以后會(huì)進(jìn)入一種全新的穩(wěn)定性狀態(tài)。以下兩幅圖分別是支點(diǎn)失穩(wěn)（圖1）以及跳躍失穩(wěn)（圖2）的相關(guān)展示。

圖1　分支點(diǎn)失穩(wěn)（ABO為荷載側(cè)移曲線）

圖2　跳躍失穩(wěn)

3　鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及其原則

3.1特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定性問(wèn)題，這主要是通過(guò)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中來(lái)體現(xiàn)出來(lái)的。當(dāng)要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中的一些受壓部位進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，要特別注意對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究與探討，相反，對(duì)于那些不受壓的部位，它們?cè)谑褂玫倪^(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的不同程度的變形，這種狀況會(huì)使得原本不受壓的部位卻又轉(zhuǎn)變成為受壓的部位，從而引起了鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)狀態(tài)。通過(guò)這種現(xiàn)象，我們發(fā)現(xiàn)，在鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)當(dāng)中，要特別注意多方面的因素，因?yàn)槠渚哂卸鄻有缘奶攸c(diǎn)，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)也具有整體性的特點(diǎn)，即當(dāng)其中的一個(gè)部件失穩(wěn)后產(chǎn)生變形情況，也會(huì)相應(yīng)的使它內(nèi)部其它的連接部件受到影響而逐漸的也處于失穩(wěn)當(dāng)中，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)主要是通過(guò)相應(yīng)的連接方式從將鋼材料重新進(jìn)行分化組合，如果其中的某種結(jié)構(gòu)存在系統(tǒng)性的缺陷，那么毫無(wú)疑問(wèn)局部也會(huì)影響到整體的性能，使得相關(guān)性會(huì)表現(xiàn)的更加明顯，由此這就會(huì)導(dǎo)致分析局部及整體之間的關(guān)系也更為復(fù)雜多變。

3.2原則

3.2.1考慮局部和整體的穩(wěn)定性

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是基于平面體系進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在實(shí)際的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，首先要以平面體系為依托，接著再繼續(xù)設(shè)計(jì)桁架及框架等，這種模式的設(shè)計(jì)方式存在一些難以預(yù)料的不確定因素，所以如果要想減少其對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響與制約，那么就要在充分考量鋼結(jié)構(gòu)整體布局的前提基礎(chǔ)下，設(shè)計(jì)出具有更強(qiáng)、更好、更具體、更有針對(duì)性的支撐結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)要將鋼結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，確保平面的穩(wěn)定性與相應(yīng)的平面構(gòu)件模式布置相統(tǒng)一，繼而提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2.2保證使用結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和計(jì)算簡(jiǎn)圖一致

大多數(shù)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行單層與多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)候，經(jīng)常是直接的去計(jì)算框架柱的穩(wěn)定性能，而并不是直接對(duì)框架的穩(wěn)定性能進(jìn)行規(guī)劃分析。使用這種方法計(jì)算框架柱的穩(wěn)定的時(shí)候，是需要通過(guò)分析框架柱的整體穩(wěn)定才能得到柱計(jì)算長(zhǎng)度的系數(shù)，由此才能確保柱穩(wěn)定計(jì)算等于框架穩(wěn)定計(jì)算，可是，框架的種類多種多樣，在實(shí)際真正設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員為了簡(jiǎn)化計(jì)算工作，也是可以另外設(shè)置一些典型條件，在具體實(shí)踐中，在依附有搖擺拄的框架以及橫梁受有比較大的壓力的框架的情況之下，框架計(jì)算簡(jiǎn)圖與其所使用的方法、所依據(jù)的簡(jiǎn)圖是并不一致的，假如按照原本規(guī)范的系數(shù)進(jìn)行邏輯計(jì)算，那么都會(huì)產(chǎn)生一些不安全的后果。

4　影響鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性因素

4.1構(gòu)件承載強(qiáng)度影響

構(gòu)件承載強(qiáng)度會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，而其中的截面特征、構(gòu)件材料的應(yīng)力等，都有可能會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有不同的影響。此外鋼的整體結(jié)構(gòu)的抗彎曲性能與支撐性能對(duì)其本身也有一定的制約影響，由此設(shè)計(jì)建模也要對(duì)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的分析，具體考慮各種因素，如數(shù)學(xué)模型、所提假設(shè)、邊界條件、技術(shù)水平對(duì)其的影響，再者，影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的其他重要因素還有實(shí)際承載力與計(jì)算的理論值之間出現(xiàn)的差別，因此，各研發(fā)人員在穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)時(shí)，這些影響因素都必須要被充分的考慮。

4.2穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論的影響

①對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)本身而言，其穩(wěn)定性理論并不是完美無(wú)缺的，而在日常工作設(shè)計(jì)中，研發(fā)人員卻是盡量的從完善的角度出發(fā)的，因此來(lái)說(shuō)很多的隨機(jī)因素并沒(méi)有被參考進(jìn)去，這樣以來(lái)就會(huì)對(duì)穩(wěn)定性造成一定的影響。具體到實(shí)際的工程施工當(dāng)中，由于有限于鋼結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，從而會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)上出現(xiàn)差別，所以，在鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的時(shí)候就應(yīng)該著手于考慮隨機(jī)參數(shù)的干擾型屈曲與結(jié)構(gòu)極值失穩(wěn)以及跳躍型失穩(wěn)等問(wèn)題的分析研究。②在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中最大的問(wèn)題是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何反映彎矩和軸力的禍合效應(yīng)。在大的跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，設(shè)計(jì)者經(jīng)常會(huì)選取一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定的安全系數(shù)，但這并不是一定就能夠看出網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)其自身真正的受力狀態(tài)，所以，在結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定設(shè)計(jì)理論還不是非常完善的情況之下，局部與整體之間的穩(wěn)定性作用關(guān)系還是值得我們?nèi)パ芯康摹?/p>

5　加固鋼結(jié)構(gòu)

5.1對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形進(jìn)行改變以加固鋼結(jié)構(gòu)

這種鋼結(jié)構(gòu)加固方式主要是將邊界條件、荷載分布狀況、節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)和傳力途徑進(jìn)行適當(dāng)改變，以期增加一些輔助性質(zhì)的桿件和支撐性質(zhì)的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行加固。在結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形當(dāng)中適當(dāng)增加輔助桿件和支撐力度，不但能夠幫助結(jié)構(gòu)調(diào)整自振頻率、增強(qiáng)剛度，而且還能夠幫助結(jié)構(gòu)增加自身的空間結(jié)構(gòu)等，并通過(guò)核算功能使得鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的動(dòng)力獲得提高。同樣，這樣還能夠減少鋼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)細(xì)之間的對(duì)比，使得鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能更強(qiáng)。比如，在排架結(jié)構(gòu)當(dāng)中，完全可以通過(guò)增加柱本身的剛度，在減少柱負(fù)荷的條件下提高柱的承受能力，使結(jié)構(gòu)更具有穩(wěn)定性。

5.2減輕和改變荷載分布以加固鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

這種方式是通過(guò)改變受彎桿件的荷載能力，單獨(dú)將一個(gè)端部支撐荷載的承受，轉(zhuǎn)變成為一個(gè)有多個(gè)端部支撐荷載承受進(jìn)行加固的模式。比如，要將鉸接轉(zhuǎn)變成為鋼接的方式，就要在支座的中間單獨(dú)連接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成為連續(xù)連接結(jié)構(gòu)，并且要對(duì)支座的位置進(jìn)行有序調(diào)整，同時(shí)還可以繼續(xù)將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閾螚U結(jié)構(gòu)方式，并增加預(yù)應(yīng)力拉桿以取得施加預(yù)應(yīng)力，此外在選取截面進(jìn)行加固時(shí)，特別要注意截面的形式必須要更具實(shí)際加固損傷使得其滿足加固的要求，這樣才能使鋼結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

5.3加固固件連接

這種方式是通過(guò)采用普通、焊縫或其他高強(qiáng)度的螺栓等方式將鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接加固。在加固連接鋼結(jié)構(gòu)的時(shí)候，必須要根據(jù)實(shí)際的工程鋼結(jié)構(gòu)情況需要進(jìn)行加固。比如在對(duì)鋼結(jié)構(gòu)加固的目的、鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力情況等進(jìn)行分析之后，才能夠真正確定固件連接方式。具體來(lái)說(shuō)：①要改變過(guò)去的那種單純以鋼材性能為主的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，今后需要集強(qiáng)韌性、焊接性、塑性等性能為一身，爭(zhēng)取在綜合性能上實(shí)現(xiàn)深度的提高。②要對(duì)低合金鋼進(jìn)行推廣，廣泛發(fā)展耐蝕、耐火、高韌、高強(qiáng)等多種鋼材種類，盡可能的實(shí)現(xiàn)鋼材種類的多樣性的發(fā)展。③因?yàn)闁|部沿海省份高強(qiáng)、高韌性能的鋼材在實(shí)際生活中應(yīng)用上還比較廣泛，西部等偏遠(yuǎn)地區(qū)卻對(duì)普通鋼材的需求比較廣泛的現(xiàn)實(shí)需求，因此應(yīng)當(dāng)依據(jù)實(shí)際情況具體分析，真正做到鋼材的生產(chǎn)加工與社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平上統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的發(fā)展。

6　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷迅猛的進(jìn)步與發(fā)展，相應(yīng)的我國(guó)的建筑行業(yè)也在不斷的發(fā)展中飛速向前。同時(shí)建筑的安全性也必須更應(yīng)該引起我們建筑師的關(guān)注。在這之中，鋼的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)并不僅僅是簡(jiǎn)單的將建筑付諸于施工過(guò)程階段即可，它其實(shí)是一項(xiàng)責(zé)任非常艱巨的工作，因?yàn)檫@將直接影響到人民的生命、安全及建筑工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在建筑工程施工中，承辦鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的單位和相關(guān)技術(shù)人員需要采用較新的方法及思維，以保證在建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。確保鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目工程施工的質(zhì)量，使得具體從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作人員在進(jìn)行各自的設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格遵守相關(guān)的章程規(guī)劃來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且要積極的對(duì)工程質(zhì)量的實(shí)際情況進(jìn)行具體詳細(xì)的理解和解析，進(jìn)而提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，這將是促進(jìn)我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)工程工業(yè)快速穩(wěn)定發(fā)展的有效途徑。

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TU318

A

1673-0038（2015）29-0017-02

2015-7-3

程博（1989-），男，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等相關(guān)工作。