鋼結構設計中穩(wěn)定性分析探討

孫菁麗

（亨特建筑構件（廈門）有限公司，福建 廈門 361000）

1 結構體系的結構布置

1.1 框架—支撐體系

多層住宅框架體系和框架一支撐體系的梁柱截面可采用軋制或焊接H 形截面、方鋼管等，支撐構件多采用角鋼或部分T 型截面，在7 °抗震設防區(qū)多層住宅的用鋼量多在35～40Kg/m2。在結構平面布置上宜采用大柱網(wǎng)、大開間的結構布置形式，柱距5～8m 較常見.框架柱在房屋橫向、縱向成列布置、不宜錯開太多，若設置支撐構件時，應注意避讓門窗洞口或設在無孔口的分戶墻中。

1.2 交錯桁架結構體系

交錯桁架結構體系的基本組成是柱子、桁架、梁和板。柱子僅布置在房屋周圍，不設中間柱。桁架跨度等于建筑全寬，高度等于樓層高度，桁架兩端支承在外圍柱上，在相鄰柱軸線上為上、下層交錯布置，而樓板一端支承在桁架的上弦桿，另一端懸掛在相鄰桁架的下弦桿。建筑縱向外圍各柱通過連梁連接，建筑水平荷載主要被桁架中斜腹桿軸力的水平分量所平衡，水平荷載最終通過落地桁架的斜腹桿或底層斜撐傳至基礎。桁架桿件截面可采用角鋼、焊接T型、H 型或方管截面，柱截面通常采用H 型、鋼管等。交錯桁架結構體系中桿件受力合理，大部分桿件以受軸心力為主，用鋼量節(jié)約，在7 °抗震設防區(qū)，其用鋼量較框架結構節(jié)約10%左右，當建筑橫向尺寸較大，這一優(yōu)勢將更明顯；桁架結構抗側移剛度大，位移也較小，柱強軸可布置在縱向，以加大結構縱向側移剛度。交錯桁架結構體系結構布置時注意使一層桁架的斜腹桿落地(與基礎梁連接)或通過底層斜撐傳至基礎，否則結構水平位移過大，難以滿足規(guī)范要求。還應注意水平、豎向結構布置要做到規(guī)則對稱。從結構布置上說，交錯桁架結構體系可以提供兩倍于框架結構體系的更大開間，進深也大大增加，可以提供更大的使用面積。此外，交錯桁架結構體系柱子數(shù)目較少，所以基礎數(shù)量較少，能夠進一步節(jié)約材料。

在鋼結構設計中采用何種結構體系，應綜合考慮多種影響因素，而對鋼結構設計中穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的主要因素有節(jié)點連接剛度、荷載條件、層間相互作用等。

2 節(jié)點連接剛度的影響

在傳統(tǒng)的設計和分析中，為了簡化結構設計分析過程，通常將鋼結構梁柱節(jié)點的連接假定為理想鉸接或完全剛接。理想鉸接意味著梁柱不能傳遞彎矩，完全剛接則認為框架在受荷變形后，梁柱夾角保持不變。隨著鋼結構節(jié)點連接形式的增多，試驗結果證明，在荷載作用下，有些節(jié)點連接不能單純歸類為剛性連接或理想鉸接，而應稱為半剛性連接。半剛性節(jié)點連接是部分約束連接，兼有剛性連接和理想鉸接的優(yōu)點，如果將半剛性連接簡化為理想鉸接，則會高估框架的側移量而增大P-△效應的影響，低估了梁柱的連接剛度，使柱的穩(wěn)定極限承載力理論值偏低。如果將半剛性連接簡化為剛接，則結果相反。

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如圖l 所示，考慮A、B 兩節(jié)點剛度變化對框架的穩(wěn)定承載力加以分析，視A、B 兩節(jié)點的剛度相同。梁柱的鋼材均為Q235 鋼，E=2.06×105MPa，I=8.33×108mm4；當 A、B 節(jié)點為剛接時穩(wěn)定承載力特征值為7.9017；當A、B 節(jié)點為鉸接時穩(wěn)定承載力特征值為2.6463；分析結果如圖2 所示，可以較明了地看出，節(jié)點的半剛性連接對鋼框架的穩(wěn)定承載力有顯著的影響，當節(jié)點剛度為 1×108～5×109N ·mm 時(表1)，其對鋼框架的穩(wěn)定承載力變化影響較顯著。

3 不同荷載工況的影響

文獻[3]在條文說明中對單層或多層框架給出的計算長度系數(shù)采用了5 條基本假定，其中1 條是框架中所有的柱子是同時失穩(wěn)，即各柱同時達到其臨界荷載。但實際結構常常是結構不對稱或荷載不對稱甚至兩者都不對稱，如圖3 所示，當失穩(wěn)柱側移時帶動其他未達到臨界狀態(tài)的柱子一起側移，將對側移產(chǎn)生阻礙作用，從而使此柱推遲失穩(wěn)。由于整體性，該柱的穩(wěn)定承載力值有所提高，其值大于規(guī)范給出的數(shù)值，其結果是兩根相同的柱在不同的荷載作用下同時失穩(wěn)。如圖3所示，梁柱的鋼材均為Q235 鋼，E=2.06×1O MPa，I=2.76×108mm4。

如圖4 所示，梁柱的鋼材 均為 Q235 鋼，E=2.06×105MPa，I=2.76×108mm，同層柱相互作用在5 跨前的作用較為明顯，為1%～3% 。運用有限元分析軟件ANSYS對此單層框架進行分析，求得各荷載工況下的穩(wěn)定承載力列于表2。對比可知，當框架各節(jié)點的承載力不同時，對鋼框架的穩(wěn)定承載力有著較大的影響。

4 同層間相互作用的影響

圖1 單層多跨框架示意圖

框架結構中柱子并不是獨立存在的，而且柱子的邊界條件也不是固接、鉸接、自由等理想的情況，柱子的端部要受到與它相連的其他構件的彈性約束。框架有側移失穩(wěn)時，單根柱總是與同一層的其他柱同時失穩(wěn)，不會單獨失穩(wěn)，即同一層柱的柱間存在相互作用，該方面已有相關研究[4]，并在此基礎上改進了鋼框架穩(wěn)定承載力的公式。

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5 結語

通過以上分析可見，荷載條件、節(jié)點連接剛度、同層間相互作用等對穩(wěn)定承載力有著較大的影響，特別是節(jié)點剛度，而對半剛性連接形式，我國現(xiàn)行規(guī)范未有明確的解釋，故在鋼框架結構設計過程中應充分考慮上述因素對其穩(wěn)定承載力的影響。

[1]張耀春，周緒紅.鋼結構設計原理[M].北京：高等教育出版社，2004：1-2.

[2]周緒紅,莫濤,劉永健.輕鋼交錯桁架結構體系與鋼框架的對比分析[J].鋼結構,2001,2.

[3]GB 50017-2003 鋼結構設計規(guī)范[S].

[4]陳驥.鋼結構穩(wěn)定：理論與設計[M].北京：科學出版社，20O1.

[5]楊文惠，王燕.半剛接鋼框架柱的穩(wěn)定分析方法[J].鋼結構，2005，20(3)：21-25.

[6]鄭廷銀.鋼結構高等分析理論與實用計算[M].北京：科學出版社，2007.