鋼結構穩(wěn)定性設計的心得

鋼結構穩(wěn)定性設計的心得

【摘要】鋼結構因具有自重輕、強度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點，在建筑工程中得到了廣泛的應用，另一方面，因其結構失穩(wěn)破壞造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失的事故案例也常有耳聞，而失穩(wěn)破壞的原因通常是結構設計缺陷所致。論文通過對鋼結構穩(wěn)定性設計的概念、原則及分析方法的總結，結合工程設計實踐談談對鋼結構穩(wěn)定性設計的體會。

【關鍵詞】鋼結構；穩(wěn)定性設計；細部構造

穩(wěn)定性是鋼結構工程設計中需要重點考慮的內(nèi)容之一，現(xiàn)實生活中因鋼結構失穩(wěn)造成的工程事故案例也較多，如美國哈特福特城的體育館平面92m×110m的網(wǎng)架結構，突然于1978年墜落地面，原因是由于壓桿屈曲失穩(wěn)；1988年我國也曾發(fā)生132m×180m鋼網(wǎng)架因腹桿穩(wěn)定不足在施工過程中塌落的事故；201*年1月3日下午，昆明新機場38m鋼結構橋跨突然垮塌，造成7人死亡、8人重傷、26人輕傷，原因是橋下鋼結構支撐體系突然失穩(wěn)，8m高的橋面隨即垮塌下來。從上述案例可以看出，鋼結構失穩(wěn)破壞的原因通常是其結構設計不合理，存在結構設計缺陷所致，要從根本上杜絕此類事故的發(fā)生，鋼結構穩(wěn)定性設計是關鍵。1、鋼結構穩(wěn)定性設計的概念

1.1強度與穩(wěn)定的區(qū)別強度是指結構或者單個構件在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下由荷載所引起的最大應力（或內(nèi)力）是否超過建筑材料的極限強度，因此它是一個應力問題。極限強度的取值因材料的特性不

同而異，對鋼材是取它的屈服點。穩(wěn)定主要是找出外部荷載與結構內(nèi)部抵抗力間不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，即變形開始急劇增長而需設法避免進入的狀態(tài)，因此它是一個變形問題。例如軸壓柱，當失穩(wěn)時柱的側向撓度使柱中增加很大的附加彎矩，從而柱子的破壞荷載可以遠遠低于它的軸壓強度，此時，失穩(wěn)是柱子破壞的主要原因。1.2鋼結構失穩(wěn)的分類1）有平衡分岔的穩(wěn)定問題（分支點失穩(wěn)）。完善直桿軸心受壓時的屈曲和平板中面受壓時的屈曲均屬于這一類。2）無平衡分岔的穩(wěn)定問題（極值點失穩(wěn)）。由建筑鋼材做成的偏心受壓構件，在塑性發(fā)展到一定程度時喪失穩(wěn)定的能力，屬于這一類。3）跳躍失穩(wěn)是一種不同于以上兩種類型的穩(wěn)定問題，它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另一個穩(wěn)定平衡狀態(tài)。2、鋼結構穩(wěn)定性設計的原則

2.1鋼結構布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求目前鋼結構大多數(shù)是按照平面體系來設計的，如桁架和框架。保證這些平面結構不出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，需要從結構整體布置來解決，如增加必要的支撐構件等。要求平面結構構件的平面穩(wěn)定計算需與結構布置相一致。

2.2結構計算簡圖需與實用計算方法所依據(jù)的簡圖一致當設計單層或多層框架結構時，通常不做框架穩(wěn)定分析而只做框架柱的穩(wěn)定計算。采用這種方法計算框架柱穩(wěn)定時用到的柱計算長度系數(shù)，應通過框架整體穩(wěn)定分析得出，使柱穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算�！朵摻Y構設計規(guī)范》（gb50017-201*）對單層或多層框架給出的

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鋼結構穩(wěn)定設計心得

河北省石油化工設計院有限公司天津分公司

摘要：穩(wěn)定問題一直是鋼結構設計的關鍵問題之一,鋼結構體系的廣泛應用凸顯了穩(wěn)定問題研究的重要性和緊迫性。由于鋼結構體系設計、建造以及使用當中存在著許多不確定性因素，筆者結合工作中的設計經(jīng)驗對鋼結構體系的穩(wěn)定性問題進行了總結。關鍵詞：鋼結構，框架，穩(wěn)定性，失穩(wěn)。

鋼結構穩(wěn)定設計具有和強度問題不同的特點，在以往的設計中，遇到的問題多是小型鋼平臺，因荷載較小，高度較低，只要滿足強度要求，一般不會失穩(wěn)。在近幾年的學習及工程設計實踐中，認識到保證結構整體的穩(wěn)定及其構件自身的穩(wěn)定是鋼結構設計中極其重要的內(nèi)容。

經(jīng)過查閱大量鋼結構資料，對鋼結構穩(wěn)定性設計的特點建立起了明確概念，下面是學習后總結的幾點體會。

1.結構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。

目前結構大多數(shù)是按照平面體系來設計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結構不致出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，需要通過結構整體布置來解決，亦即設置必要的支撐構件。這就是說，平面結構構件的平面外穩(wěn)定計算必須和結構布置相一致。例如，大跨度過路管架，一般需要做成桁架的型式，而用PKPM進行桁架的設計時，一般只是拿出桁架的一榀來進行平面內(nèi)構件的強度和穩(wěn)定計算，桁架的平面外穩(wěn)定則需要通過在上下弦分別加設鋼橫梁及水平支撐來保證。

2．結構計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結構的穩(wěn)定計算十分重要。

《鋼結構設計規(guī)范》中很大一部分條文都與穩(wěn)定問題有關，遵循這些條文規(guī)定，對防止出現(xiàn)結構失穩(wěn)，當然是必不可少的。然而，僅按規(guī)范條文來處理穩(wěn)定問題還很不夠，我們尚需對條文的規(guī)定有一定深度理解，并且各種因素對結構和構件穩(wěn)定性能的影響也應進行考慮。結構計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結構的穩(wěn)定計算十分重要。在設計單層和多層框架結構時，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定性分析，而是代之以框架柱的穩(wěn)定性計算。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)μ，自應通過框架整體穩(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，實際框架多種多樣，而設計中為

了簡化計算工作，需要設定一些典型條件�！朵摻Y構設計規(guī)范》對單層和多層框架給出的長度系數(shù)μ采用了五條基本假定，其中，包括：“框架中所有柱子是同時喪失穩(wěn)定的，即各柱同時達到其臨近荷載�！卑凑者@條假定，框架各柱的穩(wěn)定參數(shù)φhP/E應保持常數(shù)。對于最簡單的單層單跨框架來說，就是以對稱框架作為典型框架。如果結構不對稱，或者荷載不對稱，甚至二者都不對稱，柱的實際計算長度將不同于典型框架。在非對稱情況下，以單層單跨框架來說，左柱受力為P1，右柱受力為P2，當P1>P2時，左柱趨于先失穩(wěn)。但是，左柱失穩(wěn)而側移時，必然要帶動右柱一起側移，而右柱這時還未達臨界狀態(tài)，必將對側移起阻止作用，從而使左柱推遲失穩(wěn)。這就是說，框架失穩(wěn)是結構的總體問題。由于整體性，左柱得到右柱的支持，它的計算長度系數(shù)小于規(guī)范給出的數(shù)值。另一方面，右柱要對左柱提供約束，它的任務加重，計算長度系數(shù)大于規(guī)范給出的數(shù)值，其結果是兩根相同的柱在不同荷載作用下，同時失穩(wěn)。非對稱的單層單跨框架的計算長度系數(shù)可以由把規(guī)范給出的μ系數(shù)乘以一個修正系數(shù)的辦法來獲得。

對單層多跨等高框架來說，φ為常數(shù)，相當于各柱的P/I相同，圖1所示各柱的Pi/Ii不相同的框架，按規(guī)范算得的各柱的μ系數(shù)就不能完全反映框架失穩(wěn)的實際情況，需要作出適當?shù)男拚�。簡化的修正方法是，對按�?guī)范得出的μi系數(shù)乘以修正系數(shù)β，從而得出各柱

IiPiTPi的計算長度系數(shù)μimβμi式中TIi/Mi

2

圖1參數(shù)Φ不同的單層框架

P1P2P3

I1I2I3P1/I1P2/I2P3/I

多層框架在柱φ不相等時也有μ系數(shù)修正問題，框架計算簡圖和實用方法所依據(jù)的簡圖不一致的情況，還有搖擺柱的框架，這種情況若按規(guī)范μ系數(shù)計算都會導致不安全的后果。

搖擺柱是指上下端均為鉸接，且用鉸支橫梁連于剛性節(jié)點的框架如圖2所示。搖擺柱和

框架ABCD連成一體后，并沒有給框架增加新的側向剛度，但是整個體系卻增加了新荷載P1.。因此，框架ABCD的側向剛度不僅要能抵抗本身荷載P1和P2的失穩(wěn)作用，還要加上搖擺柱上的荷載P1的作用。如果在確定AB柱的計算長度系數(shù)μ時仍用一般方法，則柱的截面將偏小，解決的辦法是把按不考慮搖擺柱影響的μ系數(shù)修正為μ=μ1+n。式中nP1/P1P2為搖擺柱的荷載和剛接框架的總荷載之比。

P1IbP2P3

BC

IcIc

AD

圖2附有搖擺柱的框架

3.設計結構的細部構造和構件的穩(wěn)定計算必須相互配合，使二者有一致性。結構計算和構造設計應相符，對要求傳遞彎矩和不要求傳遞彎矩的節(jié)點連接，應分別賦予它足夠的剛度和柔度，當涉及穩(wěn)定性能時，構造上時常有不同于強度的要求或特殊考慮。對簡支粱就抗彎強度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內(nèi)轉動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止粱繞縱軸扭轉，同時允許梁在水平平面內(nèi)轉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。支座采用端板式，上翼緣有窄板連于支承結構，從而有效防止扭轉。為了使梁端在自身平面內(nèi)少受約束，可以把窄板的螺栓孔做成長圓型。梁端雖有端板，對該截面翹曲的約束作用不大。高度不大的梁端加勁肋能夠有效防止梁端的扭轉，可以省去上翼緣的連接板。但是，既無上翼連接板又無端加勁肋，梁產(chǎn)生側移和扭轉時，梁端不能保持不扭，則梁的整體穩(wěn)定承載能力要比按規(guī)范φb系數(shù)算地要低�！朵摻Y構設計規(guī)范》規(guī)范在第4.2.1和第4.2.2條都注明“應采取措施以防止梁端截面的扭轉”。

正確進行梁整體穩(wěn)定計算，涉及的構造問題很多。《鋼結構設計規(guī)范》規(guī)范所規(guī)定的整

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體穩(wěn)定系數(shù)φb適用于等截面的梁包括簡支梁和懸臂梁。因此，凡截面變化的梁和端部（或其他部位）有削弱的梁規(guī)范的系數(shù)φb系數(shù)都不適用。從梁的抗彎強度來說，當彎矩圖變化時梁截面可以相應變化，但是，如果設計時是梁整體穩(wěn)定控制截面，則梁截面不宜變化。

在梁格系中，當次梁和主梁表面平齊時，次梁端部需要切去一部分上翼緣和腹板。這種端部削弱的連接方式不僅使梁端一段內(nèi)截面積減小，并且還造成上翼緣端部可以側向移動的局面。如果次梁跨度小而削弱范圍相對較長，則次梁整體穩(wěn)定承載力下降相當多。雖然，工程中常見的情況是梁格上面鋪有鋼筋混凝土板并與梁牢固連接，使梁整體穩(wěn)定得到保證，但有時遇到不設鋼性鋪板的梁格的可能性。有時，端部削弱的次梁整體穩(wěn)定性即需專門計算。

在實際設計中，我們設計人員應該明確知道結構構件的穩(wěn)定性能，以免在設計過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失�？傊�，熟悉這些特點對于我們設計人員來說是十分有益的，深入理解這些特點有助于設計出既能保證穩(wěn)定而又經(jīng)濟合理的結構。

參考文獻

[1]陳紹蕃.鋼結構設計原理.科學出版社.201*.23-25.

[2]陳紹蕃.鋼結構穩(wěn)定設計指南.中國建筑工業(yè)出版社.1995.

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