鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計原則及特點分析

陳妍

（江西五方建筑設(shè)計有限公司，江西 贛州 341000）

1 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的原則

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個突出問題。在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，都會遇到穩(wěn)定問題。對于這個問題處理不好，將會造成不應(yīng)有的損失。

根據(jù)穩(wěn)定問題在實際設(shè)計中的特點提出了以下三項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。

1.1 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。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。

1.2 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算十分重要。

目前設(shè)計單層和多層框架結(jié)構(gòu)時，經(jīng)常不做框架穩(wěn)定分析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。

1.3 設(shè)計結(jié)構(gòu)的細部構(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)點連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節(jié)點應(yīng)盡量減少桿件偏心這些都是設(shè)計者處理構(gòu)造細部時經(jīng)?？紤]到的。但是，當(dāng)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。例如，簡支梁就抗彎強度來說，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(zhuǎn)動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時允許梁在水平平面內(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。

2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計特點

2.1 失穩(wěn)和整體剛度:現(xiàn)行規(guī)范通用的軸心壓桿的穩(wěn)定計算法是臨界壓力求解法和折減系數(shù)法。

2.2 穩(wěn)定性整體分析：桿件能否保持穩(wěn)定牽涉到結(jié)構(gòu)的整體。穩(wěn)定分析必須從整體著眼。

2.3 穩(wěn)定計算的其它特點：在彈性穩(wěn)定計算中，除了需要考慮結(jié)構(gòu)的整體性外，還有一些其他特點需要引起重視，首先要做的就是二階分析，這種分析對柔性構(gòu)件尤為重要，這是因為柔性構(gòu)件的大變形量對結(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)力問題的迭加原理。在彈性穩(wěn)定計算中不能應(yīng)用。這是因為迭加原理的應(yīng)用應(yīng)以滿足以下條件為前提：

(1）材料服從虎克定律變成正比；

(2）結(jié)構(gòu)的變形很小。

而彈性穩(wěn)定計算一般均不能滿足第(2）個條件，非彈性穩(wěn)定計算則兩個前提都不符合。

了解了一些在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)該明確的一些基本概念，有助于我們在設(shè)計中更好地處理穩(wěn)定方面的問題，隨著新型鋼結(jié)構(gòu)體系的不斷發(fā)展，我們對穩(wěn)定問題的研究要求也不斷地提高，之所以在設(shè)計中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題，另一個重要原因就是我們對新型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定知之甚少，也就是目前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究中存在的問題。

3 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在的問題

鋼結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性研究雖然取得了一定的進展，但也存在一些不容忽視的問題

3.1 目前在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中，梁-柱單元理論已成為主要的研究工具。但梁-柱單元是否能真實反映網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)還很難說，雖然有學(xué)者對梁-柱單元進行過修正。主要問題在于如何反映軸力和彎矩的耦合效應(yīng)。

3.2 在大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的相互關(guān)系也是一個值得探討的問題，目前大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中取一個統(tǒng)一的穩(wěn)定安全系數(shù)，未反映整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定的關(guān)聯(lián)性。

3.3 預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定設(shè)計理論還很不完善，目前還沒有一個完整合理的理論體系來分析預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性研究中存在許多隨機因素的影響，目前結(jié)構(gòu)隨機影響分析所處理的問題大部分局限于確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)、隨機荷載輸入這樣一個格局范圍，而在實際工程中，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)的不確定性，會引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)的顯著差異。所以應(yīng)著眼于考慮隨機參數(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。

從上面可以看出，我們的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論還是不夠完善，我們在設(shè)計中一般都是把鋼結(jié)構(gòu)看成是完善的結(jié)構(gòu)體系，，我們可以看出在設(shè)計中我們沒有考慮一些隨機因素的影響。但是我們在考慮這些因素之前，應(yīng)該弄清楚這些隨機因素的來源，一般情況下把影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨機因素分為三類：

(1)物理、幾何不確定性：如材料（彈性模量，屈服應(yīng)力，泊松比等）、桿件尺寸、截面積、殘余應(yīng)力、初始變形等。

(2)統(tǒng)計的不確定性：在統(tǒng)計與穩(wěn)定性有關(guān)的物理量和幾何量時，總是根據(jù)有限樣本來選擇概率密度分布函數(shù),因此帶來一定的經(jīng)驗性。這種不確定性稱為統(tǒng)計的不確定性，是由于缺乏信息造成的。

(3)模型的不確定性：為了對結(jié)構(gòu)進行分析，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)致的理論值與實際承載力的差異，都歸結(jié)為模型的不確定性。

以上都是鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中存在的問題，只有我們進一步地深入研究這些穩(wěn)定，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論將會進一步完善，如對于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中涉及到隨機因素的影響，國外已經(jīng)引入了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的可靠度設(shè)計，這也表明了鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計理論也在不斷的完善。

4 結(jié)束語

在實際設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)該明確知道結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能，以免在設(shè)計過程中發(fā)生不必要的失穩(wěn)損失。針對上述問題，本文提出了在設(shè)計過程中設(shè)計人員應(yīng)該明確掌握的原則；其次，隨著新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，設(shè)計人員對其性能認識的不足，從而導(dǎo)致構(gòu)件的失穩(wěn),本文就這個問題闡述了新型結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的一些問題，并且針對一些問題論述了產(chǎn)生的原因?？傊?，只有深入了解這些問題，才會使得鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論設(shè)計不斷地完善。

[1]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理.科學(xué)出版社，2000.23-25.

[2]夏志斌,潘有昌.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論.高等教育出版社.1988.11-12.

[3]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計指南.中國建筑工業(yè)出版社，1995.

[4]朱步范,羅建華.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計計算要點.新疆石油科技.l998年第3期(第8卷)，69.

[5]盧家森,張其林.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的可靠性研究評述.同濟大學(xué)學(xué)報.